陶瓷中空纖維膜在氣體分離及固體氧化物燃料電池中的應(yīng)用與研究.pdf

1、當(dāng)今世界，能源和環(huán)保己成為全世界共同關(guān)心的問題。由于在化工、冶金、能源、環(huán)保等領(lǐng)域具有巨大潛在應(yīng)用價值，陶瓷膜材料的研究在最近幾十年受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。陶瓷中空纖維膜由于具有管徑小、管壁薄、單位體積有效膜面積大等特點，近年來更是受到人們廣泛研究。本論文主要對陶瓷中空纖維氧滲透和氫滲透膜的分離性能以及中空纖維管固體氧化物燃料電池的電學(xué)性能進行了研究。
　　 第一章是論文綜述，首先簡要介紹了膜的定義和分類；然后較全面闡述了陶

2、瓷中空纖維膜的制備工藝和應(yīng)用前景；最后著重論述了陶瓷中空纖維膜的研究現(xiàn)狀和存在的問題。
　　 第二章制備出了Bi1.5Y0.3Sm0.2O3(BYS)-La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)雙相復(fù)合陶瓷中空纖維透氧膜并研究了其氧滲透性能。利用相轉(zhuǎn)化/燒結(jié)技術(shù)制備的中空纖維膜具有非對稱結(jié)構(gòu)，靠近膜管內(nèi)表面部分是指狀孔結(jié)構(gòu)，而靠近膜管外表面則是非常致密的結(jié)構(gòu)。氧滲透測量給出膜管在中低溫具有較高的氧滲透速率，在air/He梯度下，

3、850℃時的氧滲透速率為3.9×10-7mol cm-2 s-1。研究表明中空纖維膜的氧滲透總流量隨著膜管內(nèi)吹掃氣流量、纖維膜的長度和膜管外側(cè)氧氣來源氣的氧分壓的增加而增大。采用柱塞式流動模型和Wagner氧滲透理論我們還對雙相復(fù)合中空纖維膜的氧滲透過程進行了模擬，模擬結(jié)果和實測的相符合。
　　 第三章研究了Ni-BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ金屬陶瓷中空纖維膜的氫分離性能。NiO-BZCY復(fù)合粉體采用檸檬酸法一步制備

4、，制備的NiO-BZCY纖維膜生坯在還原氣氛中直接燒結(jié)形成Ni-BZCY金屬陶瓷膜。所得的中空纖維膜具有“三明治”結(jié)構(gòu)，靠近內(nèi)外表面是指狀孔結(jié)構(gòu)而中間部分是致密層。中空纖維膜的氫滲透率隨著管外H2和管內(nèi)吹掃氣流量的增加而增加。由于膜管內(nèi)有BaCO3的形成，中空纖維膜的氫滲透率與較厚的片狀膜相當(dāng)，為了增加纖維膜的氫分離性能，必須抑制BaCO3的產(chǎn)生。
　　 第四章采用相轉(zhuǎn)化法制備出了管徑小于0.2 cm的中空纖維膜陽極支撐體，在靠

5、近膜的內(nèi)外表面具有指狀孔結(jié)構(gòu)，為氣體傳輸提供了通道。通過真空輔助浸漬技術(shù)制備了約為12μm厚的電解質(zhì)薄膜。燒結(jié)后的NiO-YSZ/YSZ中空纖維管的三點彎曲強度是118.3 MPa，但是氫氣還原后機械強度要降低一半左右。當(dāng)采用H2(～3％H2O)作為燃料氣體時，微管電池在600℃，700℃和800℃的最大輸出功率密度分別是124，287，377 mW cm-2，且開路電壓都在1.01 V以上。由于具有很高的堆積密度，這種中空纖維管固體氧

6、化物燃料電池具有很大的實際應(yīng)用潛力。
　　 第五章以YSZ中空纖維膜為電解質(zhì)，在膜管內(nèi)表面沉積催化劑Ni作為陽極層并在外層涂陰極制備了電解質(zhì)支撐的微管SOFC。通過降低YSZ纖維膜的預(yù)燒溫度，可以抑制指狀孔燒結(jié)成閉氣孔，能更有效的在孔內(nèi)沉積Ni。這樣制備的陽極膜與電解質(zhì)層結(jié)合非常緊密，可以大大降低離子界面電阻并防止了陽極在運行過程中的剝落。制備的電解質(zhì)支撐的微管SOFC，在600℃，700℃和800℃時的最大功率密度分別是28，

7、78，146 mW cm-2。電池的機械強度在測試過程中一直保持很高，這一特點使電解質(zhì)支撐的中空纖維管SOFC在未來的實際應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。
　　 第六章對La2Cu1-xNixO4+δ(0≤x≤1)體系的低頻內(nèi)耗進行了研究。體系具有正交的K2NiF4結(jié)構(gòu)，隨著Ni含量的增加，晶胞參數(shù)中a，b軸伸長， c軸收縮，且額外氧含量δ呈線形增加。低頻內(nèi)耗研究表明，x≤0.005時，樣品在200 K和250 K左右存在兩個弛豫內(nèi)耗峰，