化学浸渍LSM提高LSCF-GDC复合阴极电性能的研究

发布时间：2017-10-02 11:36

  本文关键词：化学浸渍LSM提高LSCF-GDC复合阴极电性能的研究

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【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型、绿色环保、节能高效的能源转换技术。SOFC中低温化是该项技术的发展方向,在SOFC中低温化的发展过程中,对SOFC材料的性能有较高的要求,然而电池总的极化损耗主要是由阴极的极化阻抗所引起。制备高混合电导的复合阴极能有效提高阴极的电性能。本课题采用传统的机械混合法制备性能较高的LSCF-GDC复合阴极骨架,并通过化学浸渍法浸渍LSM来提高复合阴极的电化学性能和LSCF在工作温度下的长期稳定性,本文着重讨论了浓度、pH值、络合剂等因素对化学浸渍效果及阴极电性能的影响,并通过改变骨架中LSCF、GDC两种材料的比值,获得电性能优良的三相复合阴极。通过XRD分析可知,采用溶胶凝胶法能制得较纯的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.80O3-δ (LSCF)相,LSM浸渍到复合阴极骨架中没有发生偏析,而是生成较纯的La0.85Sr0.15MnO3 (LSM)物相。在阴极骨架的制备实验中,由SEM图可知,1080℃下烧制的LSCF-GDC阴极骨架有较好的孔隙结构且颗粒结合较紧密。800℃保温3h焙烧的浸渍颗粒与阴极骨架结合良好,且没有发生团聚现象。通过背散射扫描观察可知,阴极中LSCF相、GDC相和空隙的均匀性良好,有利于提高阴极的三相界面线长度。实验采用EDTA+柠檬酸(1：1)的混合物为络合剂、乙醇+氨水的混合液作为补给溶剂、pH调成弱碱性、阴极骨架进行真空处理与加热处理,能够有较好的浸渍效果且获得最佳浸渍量7.1wt%/次(浸渍材料与阴极骨架的质量百分比)。通过SEM图和阴极极化阻抗测试对不同条件浸渍的阴极显微结构进行表征。结果表明：当浸渍液呈中性或弱酸性时,焙烧后生成的LSM颗粒堵塞在阴极的孔口；当浸渍液呈弱碱性,LSM颗粒附着在阴极骨架的孔壁上；浸渍液浓度为0.3mol/L时,生成的LSM纳米颗粒能较均匀地分布在阴极骨架内壁。当阴极骨架中LSCF:GDC为3：1时,浸渍后获得较低极化阻抗为0.36Ωcm2。随着浸渍次数的增加,浸渍量先增加后平缓,浸渍量在的第4次可达最高值32.5wt%,此时浸渍颗粒已经封住阴极表面的孔洞。随着浸渍次数的增加,阴极的极化阻抗先减后增,浸渍了3次的复合阴极有最低极化阻抗0.16Ωm2。通过电化学工作站对最佳浸渍方案的单电池与未浸渍单电池的功率密度、长期稳定性进行测试,750℃测试温度下浸渍LSM的单电池的最大功率密度为0.645Wcm-2,而未浸渍的单电池的最大功率密度仅为0.503 Wcm-2。通过100h的长期稳定性的测试,未浸渍的单电池输出电压先增后减,100h后电池总衰减率为2.34%。而浸渍的单电池输出电压持续上升,工作到80h后输出电压才开始有降低的趋势,且第80h-第100h内的衰减率仅为0.403%。
【关键词】：化学浸渍法 复合阴极 固体氧化物燃料电池 浸渍液
【学位授予单位】：景德镇陶瓷学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 1 文献综述10-23
• 1.1 固体氧化物燃料电池研究背景及发展现状10-11
• 1.2 固体氧化物燃料电池工作原理11-13
• 1.3 固体氧化物燃料电池关键材料13-19
• 1.3.1 阴极材料13-17
• 1.3.1.1 贵金属阴极14
• 1.3.1.2 钙钛矿型阴极14-16
• 1.3.1.3 复合阴极16-17
• 1.3.1.4 其他阴极17
• 1.3.2 阳极材料17-18
• 1.3.3 电解质材料18
• 1.3.4 连接体材料18-19
• 1.4 浸渍法制备复合阴极19-21
• 1.4.1 浸渍法制备的阴极与其他传统阴极的比较19-20
• 1.4.2 浸渍法制备复合阴极的研究进展20-21
• 1.5 本论文的研究内容及意义21-23
• 2 实验材料及测试方法23-34
• 2.1 实验原料23-24
• 2.2 实验仪器与设备24
• 2.3 对称电池的制备24-28
• 2.3.1 阴极浆料及GDC对称电极支撑片的制备24-26
• 2.3.2 对称电极性能测试26-27
• 2.3.3 对称电极陶瓷测试架的设计27-28
• 2.4 单电池的制备28-33
• 2.4.1 阳极、电解质流延片与单电池的制备28-30
• 2.4.2 单电池的电性能测试30-33
• 2.5 分析测试33-34
• 2.5.1 X射线衍射分析33
• 2.5.2 扫描电子显微镜33
• 2.5.3 电化学阻抗谱测试33
• 2.5.4 电池放电性能测试33-34
• 3 复合阴极骨架的制备34-40
• 3.1 溶胶凝胶法制备LSCF粉体34-35
• 3.1.1 溶胶凝胶法制备LSCF粉体的制备流程34
• 3.1.2 LSCF粉体的XRD分析34-35
• 3.2 LSCF-GDC阴极的制备35-38
• 3.2.1 LSCF-GDC阴极浆料的制备35
• 3.2.2 烧成温度对骨架烧结性能的影响35-36
• 3.2.3 LSCF-GDC复合阴极背散射电子像36-37
• 3.2.4 不同LSCF-GDC比例的复合阴极骨架的制备37-38
• 3.2.4.1 LSCF-GDC骨架的制备37
• 3.2.4.2 不同阴极骨架的对称电极交流阻抗的测试37-38
• 3.3 本章小结38-40
• 4 LSM浸渍液的制备40-47
• 4.1 LSM浸渍液的制备40-43
• 4.1.1 络合剂的选择40-41
• 4.1.2 pH值对浸渍效果的影响41-42
• 4.1.3 浓度调整时补给溶剂的制备42-43
• 4.2 浸渍过程43-44
• 4.3 浸渍后焙烧温度的确定以及LSM物相分析44-46
• 4.5 本章小结46-47
• 5 几种浸渍因素对浸渍效果及电性能的影响47-57
• 5.1 浓度对浸渍效果及电性能的影响47-49
• 5.1.1 实验过程47
• 5.1.2 不同浸渍浓度对浸渍效果的影响47-48
• 5.1.3 不同浓度浸渍液的浸渍对阴极电性能的影响48-49
• 5.2 不同LSCF-GDC比的阴极骨架浸渍后的性能比较49-50
• 5.2.1 实验过程49
• 5.2.2 不同阴极骨架浸渍后电性能的比较49-50
• 5.3 浸渍量对浸渍效果及电性能的影响50-55
• 5.3.1 实验过程50-52
• 5.3.2 浸渍次数与浸渍量的关系52-53
• 5.3.3 浸渍次数对浸渍效果的影响53-54
• 5.3.4 浸渍次数对阴极性能的影响54-55
• 5.5 本章小结55-57
• 6 浸渍前后电池功率密度及其长期稳定性的表征和比较57-61
• 6.1 浸渍前后电池功率密度的比较57-58
• 6.2 浸渍前后电池长期稳定的比较58
• 6.3 LSM提高LSCF-GDC复合阴极电化学性能及其长期稳定性的机理讨论58-59
• 6.4 本章小结59-61
• 结论61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-68
• 论文发表情况68

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1 李艳,吕U，

本文编号：959435