基于納米結構的中低溫固體氧化物燃料電池電極的制備和性能研究.pdf

1、中低溫固體氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell，SOFC)是當前能源領域研究的熱點。本文針對電解質的薄膜化、陰極微觀結構優(yōu)化和抗積碳的陽極微觀結構設計三個中低溫SOFC面臨的關鍵問題，選用Sm摻雜的Ce02(SDC)作為電解質材料，采用陽極支撐的SOFC電池模式，引入納米結構對電極微觀結構進行改進和設計，并對電池電極的制備及性能展開了系統(tǒng)的研究。主要的研究內容如下： (1)為了降低電解質SDC陶瓷的燒結溫度

2、，文中分別選用了燃燒法和噴霧干燥熱解法兩種制備方法制備了納米尺寸的SDC粉末。 用硬脂酸燃燒法制得的SDC粉末，其晶粒尺寸和粒度分布明顯受到硝酸根和硬脂酸的摩爾比(N/s)的影響。當N/s摩爾比為1：1.5時，制得的SDC粉末具有最小的晶粒尺寸(10～40 nm)和粒度分布。而且用硬脂酸制得的SDC前驅粉末是低結晶度的SDC粉末，比750℃熱處理形成的SDC具有更小的粒度分布和更好的燒結性，在1200℃燒結溫度下即可獲得平均晶粒

3、為0.85 gm的致密SDC陶瓷。 采用了(NH4)2CO3(AC)和NH4HCO3(AHC)沉淀劑制備了兩種溶膠，用溶膠噴霧干燥熱解法制備了SDC粉末。不同溶膠會對SDC粉末的粒徑和形貌產生影響。用AC溶膠制得的SDC粉末具有較小的粒徑和規(guī)則的球形形貌，從而可表現(xiàn)出良好的燒結特性，在1250℃溫度下可燒結成相對密度達96％、晶粒尺寸為0.86 μm的致密SDC陶瓷。 (2)為了獲得NiO和SDC兩相分布均勻的納米陽極材

4、料，通過溶膠噴霧干燥熱解法，采用了兩種溶膠混合液來制備的NiO-SDC粉末，一種用Ni溶膠與Ce-Sm溶液混合，另一種用Ce-Sm溶膠與Ni溶液混合。結果表明：當用兩種不同的溶膠混合液制備NiO-SDC粉末時，NiO-SDC陽極粉末的顆粒大小均隨溶膠濃度的增加而增大。而且，用含Ni溶膠的混合液更易制得兩相分布均勻，顆粒尺寸較小的。NiO-SDC陽極粉末。一次顆粒尺寸為30 nm左右，團聚體的平均尺寸為250 nm。 此外，還用氨

5、基乙酸法制得了兩相分布均勻的NiO-SDC粉末。其一次顆粒的平均粒徑為20～40 nm，而且球磨后的粉末具有較窄的粒度分布，平均團聚尺寸為170 nm。 (3)為了使陽極具有良好的多孔微觀結構，在中低溫下既具有良好的催化活性又可作為單電池的支撐體。本文采用聚苯乙烯微球作為造孔劑，利用造孔劑顆粒和納米陽極材料顆粒在粒徑上的較大差異，結合超聲分散作用，使造孔劑顆粒和陽極材料均勻混合和合理分布，制備出可作為陽極支撐體的NiO-SDC多

6、孔陶瓷。通過對多孔陶瓷的燒結溫度、微觀結構和力學性能之間關系的研究發(fā)現(xiàn)，1200℃燒結制得陶瓷的晶粒并沒有明顯長大并部分保持在納米尺度范圍內，使電極有相當長的三相反應界面長度，而且陶瓷的抗壓強度達到了20.83 MPa。以此陽極為支撐的單電池在600℃時的最大輸出功率密度高達333 mWcm-2。高的電池功率密度說明該陽極微觀結構可有效地提高其催化活性、降低其極化電阻，并抵消了因燒結溫度較低而導致的電解質歐姆電阻升高所產生的負面影響。

7、 (4)采用納米結構的陰極薄層的設計，解決中低溫下電池陰極極化電阻迅速增大問題。選用具有較高離子電導和電子電導的SSC與SDC的納米混合粉末作為陰極材料，采用懸浮液旋涂法制備了具有納米結構的陰極薄層。實驗結果表明：當燒結溫度為950℃時，獲得的陰極具有均勻連續(xù)的多孔結構，其孔隙率為31％，在陰極的骨架上大量的納米晶粒，晶粒尺寸為50～100 nm，為氣體的吸附和脫附提供較大的表面積；同時，陰極中均勻分布的SSC和SDC兩相有利于

8、提高陰極中的三相反應界面，增加反應活化點，有效地降低界面極化電阻，提高電池的功率輸出。具有納米多孔結構陰極薄膜的單電池在低溫條件下表現(xiàn)出了良好的電性能。500℃時，單電池的整個界面電阻僅有0.79 Ωcm2，最大輸出功率密度高達212 mW cm-2，450℃時則分別為2.81 Ωcm2和114 mW cm-2。 (5)利用Cu單質具有抑制甲烷直接氧化產生碳沉積的能力，將少量納米Cu顆粒均勻的分布到Ni/SDC陶瓷的骨架上，使銅

9、的作用最大化，形成一種新的Cu/Ni/SDC陽極結構。本文采用浸漬法將Cu的納米顆粒注入，使其緊密地粘附在多孔Ni/SDC陶瓷的骨架上。納米Cu的注入提高了陽極的電導率，為更多的電子能夠從電化學反應點的導出提供了有效的通道，從而了增加單電池的功率輸出。當以甲烷氣體為燃料時，Cu/Ni/SDC陽極支撐的單電池在600℃時的功率輸出高達317 mW cm-2。當單電池運行12h后，其最大輸出功率密度只損失了2％。Cu/Ni/SDC陽極能夠通