中溫固體氧化物燃料電池材料制備及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)的中低溫化是國際SOFC領域研究的重點與熱點，提高電解質和電極在中低溫條件下的性能，成為解決問題的關鍵。結合SOFC的國內外研究現(xiàn)狀，本論文提出SOFC電解質材料和電極材料新的制備工藝，改善了電解質和電極微觀結構;研發(fā)了新的復合電解質材料和新的電極材料，提高中低溫條件下電解質和電極的離子電子傳輸性能和催化性能，化學相容性和熱匹配性。主要內容如下:
　　(1) SOFC電解質的制備和表征:通過綠色合成法

2、丙烯酰胺聚合反應合成了具有鈣鈦礦結構的中溫電解質La0.9Sr0.1 Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)和螢石型結構的中溫電解質Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)，提供了一種制備高純度、化學計量比精確、高比表面積、高燒結活性的中溫固體氧化物燃料電池關鍵材料超細粉的新方法。采用超細電解質粉末，可以在較低溫度下實現(xiàn)電解質隔膜的致密化，從而有效避免在電池三合一組件制備過程各種電池材料的相互作用。研究結果表明，用這種方法合成LSGM和

3、SDC納米粉體具有較高的燒結性能，高導電性和低傳導活化能。通過甘氨酸共燃燒法(GNP)合成一系列不同質量比的SDC-LSGM復合電解質，研究了LSGM摻雜量的變化對復合電解質電化學性能的影響。在SDC中摻雜適量LSGM，電解質的離子電導率和燒結性能得到極大改善。但隨著LSGM含量的增加，雜相增多，電導率顯著降低。所有混合試樣中，SDC和LSGM混合質量比為8∶2(SL82)是最佳比例試樣，800℃和700℃時的離子電導率分別是0.113

4、 S/cm和0.059 S/cm。
　　(2)用GNP法制備了(Gd1-xSrx)yCoO3-δ系列陰極材料，并研究了陰極材料的電化學性能?？疾炝?Gd0.8Sr0.2)yCoO3-δ-nSDC復合陰極中SDC的不同含量和A-缺位對熱膨脹、電導率和交流阻抗的影響，并組裝了單電池，研究了組成和溫度對單電池功率密度和過電位的影響。阻抗測試表明，Gd0.8Sr0.2CoO3-δ(GSC)-nSDC系列復合陰極中，當SDC的質量分數(shù)為40

5、％(GSC-40SDC)時，極化阻抗值最小，在750℃時的阻抗Rp為0.251Ω·cm2。(Gd0.8Sr0.2)yCoO3-δ-50SDC系列復合陰極中，當y=0.96(GSC96)時極化電阻最小，750℃時Rp僅為0.094Ω·cm2。以H2/O2為燃料測試了Ni-35SDC｜ SDC｜ GSC-nSDC單電池的性能，當SDC的質量分數(shù)為40％時，單電池的電化學性能最好，在750℃時的最大功率密度為330 mW/cm2，放電電流為0

6、.4 A/cm2時，過電位為0.07 V。以H2/O2為燃料測試了Ni-35SDC| SL82| GSC96-50SDC和Ni-35SDC｜ SL82| GSC-50SDC單電池的性能，電池在750℃時的最大功率密度分別為352 mW/cm2和190 mW/cm2，A-適量缺位可有效改善電極的電化學性能。
　　(3)中溫SOFC陰極微觀結構的優(yōu)化和性能研究:通過綠色合成法丙烯酰胺聚合反應合成了La0.8Sr0.2MnO3(LSM)

7、納米粉體，考察了焙燒溫度對粉體粒徑和比表面積的影響，以及粉體粒徑對陰極微觀結構和單電池電化學性能的影響，研究結果表明，當陰極材料LSM的顆粒粒徑從40 nm增加到90 nm，以H2/O2為燃料，電池工作溫度為650℃時，最大功率密度從132 mW/cm2增加到228 mW/cm2，電極極化電阻從2.547Ω·cm2下降到1.034Ω·cm2。較大的納米顆粒制備的陰極具有優(yōu)良均勻的微觀結構，導致更高的功率密度和更低的電極極化電阻。研究了C

8、o3O4摻雜對GSC-40SDC復合陰極微觀結構和單電池電化學性能的影響，Co3O4極大地改善了陰極的催化性能，在所測樣品中，當Co3O4的質量分數(shù)為30％時，電池具有最佳電化學性能，測試溫度為750℃時，電池的極化阻抗為0.096Ω·cm2，最大功率密度518 mW/cm2。研究了在電解質和電極之間加入與電解質相同材料的夾層，對電極微觀結構和陰極電化學性能的影響，研究結果表明，具有夾層樣品的電極與夾層界面的結合程度，優(yōu)于不含夾層樣品電

9、極與電解質界面的結合程度，負載了SDC夾層的陰極氧還原活性高于沒有夾層的電極。
　　(4)用靜電紡絲技術優(yōu)化SOFC陽極微觀結構，探索了制備金屬-陶瓷Ni-SDC復合納米纖維的工藝流程，并以Ni-SDC納米纖維為陽極組裝Ni-35 SDC/SDC/LSM-50SDC單電池，研究了陽極表面微觀結構和單電池電化學性能。用電紡技術制備金屬-陶瓷Ni-SDC復合納米纖維，前驅液采用N，N-二甲基甲酰胺為溶劑，無機鹽（醋酸鎳、硝酸鈰和硝酸釤

10、）的質量分數(shù)為15 wt％，聚乙烯吡咯烷酮質量分數(shù)為15 wt％的比例配置，電壓為15kV，接收距離為12 cm，空氣濕度低于30％，Ni-SDC納米纖維原絲在700℃燒結4h得到Ni-SDC復合納米纖維。納米纖維的直徑基本上在200nm左右，且軸向較為均勻。以納米纖維為陽極組裝的單電池，當測試溫度為750℃時，最大功率密度為187 mW/cm2，是使用傳統(tǒng)方法制備相同Ni含量粉體陽極單電池的1.5倍。并且纖維陽極在H2還原前后，陽極表