微納米纖維在固體氧化物燃料電池中的應用.pdf

1、固體氧化物燃料電池（Solid oxide fuel cell，簡稱SOFC）是一種能直接將燃料的化學能通過電化學氧化反應轉化成電能的裝置，其因能量轉化率高、對環(huán)境污染小而越來越受到人們的關注。SOFC主要由電解質、陰極和陽極構成，其中陰極和陽極需要具有電化學催化活性以及多孔的微結構。為了獲得豐富的電化學反應區(qū)并為其提供充足的燃料，從而提高電池的電化學性能，陽極制備過程中造孔劑的使用是至關重要的。由于近些年一維納米材料的興起，人們對可以

2、生產一維納米材料的靜電紡絲技術產生了極大的興趣。這種技術利用很強的電場力能夠紡出非常細的一維纖維，這些纖維可被用于催化劑、傳感器、醫(yī)學中的人造血管等，其生產工藝簡單、成本低廉、潛在應用極其廣泛，因而也越來越受到人們的重視。本文主要研究了靜電紡絲技術制備的微納米纖維和紙纖維作為造孔劑在SOFC中的應用。微納米纖維作為陽極造孔劑，在器件成型階段混合在氧化物顆粒之中，經過高溫處理后，這種有機纖維會被燒掉，在陽極中形成線狀孔洞，這樣使用少量的纖

3、維就能夠在陽極中形成連通的孔，這種孔洞能夠使反應氣體和產物氣體在陽極中更容易流通，從而減小濃差極化，并通過使更多的電極催化劑獲得與反應氣體接觸的機會而增加三相反應區(qū)域，使電化學反應更容易進行。對于傳統(tǒng)的造孔劑，如面粉、活性炭等，它們在陽極中形成球形或形狀不規(guī)則孔洞，只有使用大量的傳統(tǒng)造孔劑才能在陽極中形成連通的孔洞，這樣容易因為造孔劑的過量使用導致陽極機械強度的降低。
　　本文使用NiO粉體、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）粉體及造孔劑

4、制備薄膜固體氧化物燃料電池的陽極支撐體，隨后采用漿料旋涂法制備陽極支撐的YSZ薄膜，將Sm0.2Ce0.8O1.9（SDC）浸漬的La0.7Sr0.3MnO3（LSM）陰極涂覆于電解質薄膜上，制成單電池。實驗結果表明，利用靜電紡絲技術制備SDC/PVA、CeO2/PVA和ZrO2/PVA復合纖維，在高溫煅燒后，經過XRD測試確定，復合纖維中的有機物 PVA被燒掉，剩下最終的氧化物依然保留纖維形貌，PVA在200～300℃分解。在靜電紡絲

5、實驗過程中，前軀體溶液的粘度、固化距離、硝酸鹽溶液的含量和電壓影響紡出纖維的質量和形貌。由于靜電紡絲纖維獨特的性質，將有機纖維用于SOFC的造孔劑。將紡出的PVA有機纖維磨碎成直徑為50～100μm的小細棒，作為SOFC的造孔劑制成陽極支撐體，造孔劑在陽極中形成直徑約為10μm線狀孔洞，用這種陽極支撐體制備成單電池，在750℃的開路電壓為1.11V，800℃的最大功率密度為751mW/cm2,電池的輸出性能良好。為了避免靜電紡絲纖維在研

6、磨破碎的過程中的粘連，直接使用新鮮的纖維與NiO/YSZ粉末混合制備單電池（YN-S-fiber），并與未添加任何造孔劑的單電池（YN11）比較。YN-S-fiber所需的還原時間比YN11短，輸出性能也優(yōu)于YN11。在對靜電紡絲纖維研究的基礎上，為了進一步降低成本、提高效率和簡化工藝，進行了紙纖維作為造孔劑的研究。紙纖維造孔劑的制作工藝更加簡單，卻可以形成和靜電紡絲纖維一樣在陽極中形成細長狀孔洞。紙纖維的直徑為10～20μm，長度為5

7、0～500μm，在陽極中形成孔的直徑約為10μm。制備與紙纖維含量相同的面粉造孔劑單電池與紙纖維造孔劑電池比較，當造孔劑的含量較少時，由于較少的紙纖維造孔劑就能形成連通的孔，面粉造孔劑則不能，所以在同等少量使用造孔劑的情況下，紙纖維電池的電化學輸出性能優(yōu)于面粉電池的。當造孔劑含量較多時，兩種造孔劑都能形成連通的孔，而紙纖維為造孔劑的陽極孔隙率高，三相反應界面減小，并且紙纖維在陽極中形成大量的橫向條狀封閉氣孔，所以過量的紙纖維并沒有提高電