具有Fe過(guò)渡層的新型燃料電池陽(yáng)極的制備和性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)電裝置，因其具有環(huán)境友好、燃料利用效率高、燃料使用范圍廣等諸多優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。傳統(tǒng)的SOFC工作溫度常在800℃甚至更高，高溫運(yùn)行帶來(lái)許多棘手問(wèn)題，影響電池的普及和推廣。為了避免高溫運(yùn)行帶來(lái)的不利影響，降低電池的運(yùn)行溫度成為近年來(lái)研究的熱門方向。La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)是一種優(yōu)異的中溫電解質(zhì)材料，在600～800℃表現(xiàn)出優(yōu)異的氧離

2、子導(dǎo)電特性，其離子遷移數(shù)在很寬的氧分壓范圍內(nèi)(10-22-1 atm)為1，而且機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，是一種很有希望的中溫SOFC電解質(zhì)材料。
　　然而，已有研究表明LSGM電解質(zhì)材料容易與電池的Ni基陽(yáng)極發(fā)生高溫化學(xué)反應(yīng)，形成高電阻相如LaNiO3、LaSrGa3O7以及LaSrGaO4，顯著降低電池的輸出性能。目前，解決此問(wèn)題的主流方案是將La2O3摻雜的CeO2（LDC）引入Ni基陽(yáng)極與LSGM之間形成過(guò)渡層，避免Ni與

3、LSGM直接接觸而發(fā)生高溫化學(xué)反應(yīng)。LDC過(guò)渡層雖可有效抑制Ni/LSGM間的化學(xué)反應(yīng)，但其離子電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LSGM，勢(shì)必會(huì)大幅度增加電池的歐姆內(nèi)阻。本論文嘗試開(kāi)辟一條新思路，制備Ni含量呈梯度分布的陽(yáng)極支撐體，并在Ni基梯度陽(yáng)極與LSGM電解質(zhì)薄膜之間引入一層Fe過(guò)渡層。此方案具有以下兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：其一，F(xiàn)e過(guò)渡層可阻隔LSGM和Ni基陽(yáng)極共燒結(jié)時(shí)的高溫固態(tài)化學(xué)反應(yīng)；其二，高溫共燒結(jié)時(shí)Ni/Fe層之間的元素相互擴(kuò)散可實(shí)現(xiàn)電化學(xué)性能優(yōu)于純

4、Ni陽(yáng)極的Ni-Fe合金陽(yáng)極的原位形成。在成功制備新型陽(yáng)極的基礎(chǔ)上，對(duì)電池的輸出性能、交流阻抗譜、Ni/Fe元素的相互擴(kuò)散和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試和分析。
　　La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM9182)粉末采用固相反應(yīng)法制備，經(jīng)1400℃燒結(jié)后的XRD測(cè)試結(jié)果表明，粉體主相為L(zhǎng)SGM9182，同時(shí)伴有少量的雜相。將LSGM9182粉體壓片燒結(jié)后進(jìn)行高溫電導(dǎo)率測(cè)試，在700℃、750℃和800℃下的電導(dǎo)率分別為0

5、.016 S?cm-1、0.026 S?cm-1和0.037 S?cm-1。
　　作為對(duì)照，本論文首先利用固相法合成的LSGM粉體制備不含有Fe過(guò)渡層的SOFC單電池，分別制備Ni基陽(yáng)極支撐型單電池和電解質(zhì)支撐型單電池。陽(yáng)極支撐型 SOFC在800℃時(shí)開(kāi)路電壓為0.623 V，最大輸出功率約為9.05 mW?cm-2，電解質(zhì)支撐型SOFC在800℃時(shí)開(kāi)路電壓為1.05 V，最大功率密度為38.9 mW?cm-2。分析電池微觀結(jié)構(gòu)可

6、以發(fā)現(xiàn)電池輸出功率低、阻抗大均源于Ni與LSMG電解質(zhì)之間的高溫反應(yīng)。能譜測(cè)試和EDX線掃描測(cè)試結(jié)果顯示Ni元素在LSGM電解質(zhì)膜內(nèi)的擴(kuò)散深度達(dá)到17μm。
　　采用干壓法制備(NiO+GDC)/(Fe2O3+GDC)和(NiO+YSZ)/(Fe2O3+YSZ)界面，用來(lái)模擬陽(yáng)極制備階段的界面，研究SOFC工況下整齊界面上的元素?cái)U(kuò)散情況,在不同的燒結(jié)溫度下，研究界面模型中Ni向富Fe層擴(kuò)散的深度。根據(jù)Ni元素的擴(kuò)散深度對(duì)富Fe層的

7、厚度及Fe含量進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，而當(dāng)Fe2O3與GDC的質(zhì)量比為6:4時(shí)，GDC可以連接成為骨架，保證電極的機(jī)械性能同時(shí)增大三相反應(yīng)區(qū)面積。根據(jù)1000℃和1400℃燒結(jié)樣品測(cè)試Ni/Fe元素的相互擴(kuò)散情況，為了實(shí)現(xiàn)富Fe層對(duì)Ni元素的吸納阻隔作用，同時(shí)避免增大電池的極化阻抗，將富Fe層的厚度確定為15μm。
　　實(shí)際制作單體電池時(shí)，為增加材料間的收縮匹配性及電池組件的機(jī)械強(qiáng)度，采用YSZ作為復(fù)合陽(yáng)極中的離子導(dǎo)電相。在傳統(tǒng)的陽(yáng)極

8、支撐體電池的基礎(chǔ)上，增加新型陽(yáng)極層，制備新型單電池。分別制備陽(yáng)極支撐型SOFC和電解質(zhì)支撐型SOFC，電池最佳還原溫度為700℃。陽(yáng)極支撐型SOFC在800℃時(shí)開(kāi)路電壓為0.718 V，最大功率密度約為740 mW?cm-2。即使開(kāi)路電壓偏離理論值，但電池仍能有較高的功率密度，與不含F(xiàn)e層的陽(yáng)極支撐型SOFC相比，最大功率密度存在兩個(gè)數(shù)量級(jí)的差異，證明Fe層的引入對(duì)于改善電池輸出性能有著極大的作用。電解質(zhì)支撐型電池在800℃時(shí)開(kāi)路電壓為