固体氧化物燃料电池纳米纤维电极的制备及性能研究

发布时间：2018-10-09 08:50

【摘要】：发展清洁高效的能源技术是人类社会可持续发展的迫切需要。将燃料、氧化剂中的化学能直接转化成电能的高效低排放的能量转换装置—固体氧化物燃料电池(SOFC)已引起人们广泛的关注。研发中低温SOFC,降低成本、延长寿命是商业化发展的需求,也是目前研究与发展的热点和趋势。电极作为SOFC的核心部件之一,其性能的优劣直接影响到整个电池的电化学性能、长期稳定性及使用寿命。本论文基于三相界面理论,设计制备了具有纳米纤维结构的电极材料,成功制备了具有优异性能的纳米纤维基复合阴极、纳米纤维基复合阳极,并通过制备成单电池研究了纳米纤维基复合电极的可应用性。论文首先研制了SOFC领域难烧结制备的新兴阴极材料Y0.3Sr0.7Co O3-δ(YSC)。采用溶胶凝胶法制备了YSC颗粒,1100℃煅烧96h,YSC完全成相(但含有微量Y2O3杂相)。采用静电纺丝技术首次制备了YSC纳米纤维,经900℃煅烧2h,YSC纤维完全成相(但仍含有微量Y2O3杂相)。该纳米纤维制备在GDC电解质上的烧制温度降低至1000℃,形成的YSC纳米纤维阴极具有较高的孔隙率。通过浸入大量的Gd0.2Ce0.8O1.9(GDC)相后形成的纳米纤维基YSC-GDC复合阴极表现出较好的电化学性能。当YSC与GDC的质量比为1:0.44时,界面极化电阻(Rp)达到最低值,在650℃测得的Rp值为0.200Ω·cm2,小于颗粒基YSC-GDC复合阴极对应温度测得的Rp值。纳米纤维基YSC-GDC复合阴极在700℃恒流极化108h后,Rp值有所增加,稳定性并不理想。基于YSC的研究结果,利用静电纺丝技术首次制备了Sm0.5Sr0.5Co O3-δ(SSC)纳米纤维,800℃煅烧2h便可形成纯相。将SSC纳米纤维于1000℃烧制在GDC电解质上,通过浸渍GDC相形成的纳米纤维基SSC-GDC复合阴极具有较好的电化学性能。当SSC与GDC的质量比为1:0.87时,Rp达到最低值,在650℃时为0.038Ω·cm2,小于之前的文献报道值。650℃时,纳米纤维基SSC-GDC复合阴极在0.2A·cm-2恒流极化107h后,Rp值没有增加,表现出良好的长期稳定性。该复合阴极在La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)电解质上的Rp值也小于之前的文献报道值。800℃时,LSGM电解质支撑的纳米纤维基SSC-GDC复合阴极在0.2A·cm-2恒流极化100h后,Rp值由0.0383Ω·cm2变为0.0379Ω·cm2,具有较好的稳定性,为单电池的制备提供了可能性。利用静电纺丝技术首次制备了La0.2Sr0.8Ti O3+δ(LST)纳米纤维,在600℃下煅烧可获得纯相,为实现电极在电解质上的低温烧结创造了有利条件。LST纳米纤维于1000℃成功烧制在1mol%Ce O2-10mol%Sc2O3-89mol%Zr O2(Sc SZ)电解质上,低于LST阳极-Sc SZ电解质界面二次相的生成温度1200℃。同样采用浸渍GDC相的方法制备的纳米纤维基LST-GDC复合阴极,随GDC浸渍量的增加,Rp值逐渐降低,当LST与GDC的质量比小于1:0.92直至减小到1:1.31时,Rp趋于平稳。LST-GDC(1:0.92)复合阳极在800℃、850℃、900℃和950℃测得的Rp值分别为0.95Ω·cm2、0.63Ω·cm2、0.38Ω·cm2和0.27Ω·cm2,小于之前文献报道值。纳米纤维基LST-GDC(1:0.88)复合阳极,在0.557V的恒电压负载条件下,950℃至550℃之间,以13℃/min速度快速升降温,经过26次循环后,电流密度没有减小,表明该电极具有良好的抗热冲击能力。纳米纤维基LST-GDC(1:1)复合阳极在950℃时经过11次氧化还原循环后,测得的Rp值仍为0.261Ω·cm2,说明该电极具有优异的氧化还原稳定性。此外,纳米纤维基LST-GDC复合阳极烧制在LSGM电解质上,也同样表现出优异的电化学性能。基于以上研究,将纳米纤维基SSC-GDC复合阴极和纳米纤维基LST-GDC复合阳极制备在LSGM电解质上,构成LSGM电解质支撑的单电池,测试结果再现了纳米纤维基复合电极优异的电化学性能,初步证实了纳米纤维基复合电极的实际应用性。利用该单电池初步分析了电解质欧姆电阻、电极欧姆电阻和电极电化学反应电阻对电池动力学性能的影响。研究结果表明,纳米纤维基LST-GDC(1:1.14)复合阳极的界面极化电阻、欧姆电阻、电化学反应电阻都明显小于纳米颗粒基LST-GDC(1:0.5)复合阳极,纳米纤维LST-GDC复合阳极表现出了的优异电化学性能。通过减少LSGM电解质的厚度,可提高单电池的功率性能。在800℃时,以H2为燃料,单电池的最大功率密度为0.149W·cm-2;以512ppm H2S-H2为燃料,最大功率密度为0.155W·cm-2,0.5V恒电位工作8h后,电流没有减小,表现出很好的耐H2S毒化特性;在800℃时,水蒸气的分压为0.10 atm,H2的分压为0.90atm时,-0.5V恒压条件下阴极极化(即水电解H2O+4e→2H2+2O2-)时,电流密度为-0.332A·cm-2,表现出较好的电解水性能。单电池的这些研究结果为纳米纤维基SSC-GDC复合阴极和纳米纤维基LST-GDC复合阳极的实际应用奠定了研究基础。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ340.1;TM911.4
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本文编号：2258732