中温固体氧化物燃料电池浸渍阴极的制备与表征

论文摘要

随着能源和环境问题的日益突出,便捷、高效、环保的能源方式是科学家们共同追求的目标,是人类社会可持续发展所亟需解决的重要课题。固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种清洁、高效的能源技术受到了科学家们的普遍关注,并在过去十多年中得到迅猛发展,逐步建立起了商业示范性的电池堆系统。但是高温下运行的SOFC在稳定性以及成本方面都存在诸多问题,无法与传统的发电方式相抗衡。科学家们普遍认为,通过降低SOFC的操作温度能够有效降低电池的成本,延长材料的使用寿命。然而,整个SOFC的电化学性能会随着操作温度的降低而下降,表现在电池欧姆阻抗、电极极化阻抗（特别是阴极极化阻抗）随着操作温度的降低而急剧增加。通过降低电解质的厚度、开发高电导率的电解质材料可以降低电解质的欧姆阻抗。而优化电极的微结构以及开发新材料是降低电极极化阻抗的主要方式。本论文紧紧围绕着降低阴极极化阻抗这一方面来开展,运用离子浸渍的制备方法优化SOFC阴极的微结构,获得具有高催化活性的阴极。论文第一章概述了SOFC的工作原理,介绍了组成SOFC的关键材料,并重点讨论了SOFC的阴极材料以及发生在阴极上的氧还原过程。在此基础上,确立了本论文的研究目的和研究内容。论文第二章使用离子浸渍的方法制备了性能优异的Sm0.5Sr0.5CoO3-Sm0.2Ce0.8O1.9复合阴极。制备过程主要包括以下两个步骤:首先将电解质衬底和SDC骨架经过高温烧结,制备成由致密电解质、多孔SDC骨架组成的结构。由于电解质和骨架之间经过高温烧结,界面之间结合紧密,构成了连续的氧离子导电通道。然后在多孔的SDC骨架中浸渍、焙烧得到附着在SDC骨架上的纳米结构的SSC阴极颗粒。这些阴极颗粒之间相互连接,粒径小于100nm,构成了连续的电子导电通道。通过对称电池研究了阴极骨架厚度、SSC浸渍量和热处理温度对阴极极化阻抗的影响,发现由于浸渍阴极具有连续的氧离子导电通道,从而使得浸渍阴极的有效厚度达到了173?m,远大于传统方法制备的LSM-SDC复合阴极的有效厚度。当SSC浸渍量为43wt%时,阴极极化阻抗最小。同时引进了一步共烧的技术进行阴极的制备,不仅有效降低了阴极极化阻抗,同时降低了电池的制备成本。将阴极的微结构进行最大限度的优化后,单电池表现出优异的输出性能,在600oC、650oC、700oC时的最大功率密度分别为437, 574, 660 mW/cm2。这一结果比其他课题组报道的以ZrO2基为电解质,SSC为阴极的电池性能都要好。上一章的结果表明,离子浸渍法能够制备得到具有纳米结构的阴极。论文第三章提出使用交替浸渍的方法,制备电解质相和催化剂相两相同时纳米化的(La0.85Sr0.15)0.9MnO3-Sm0.2Ce0.8O1.9复合阴极。通过浸渍一次SDC溶液,焙烧800oC/1h;浸渍一次LSM溶液,焙烧800oC/1h作为一个浸渍周期进行交替浸渍。XRD分析表明,通过在浸渍液中添加一定量的络合剂,降低了LSM的成相温度,从而在800oC焙烧后,能够完全成相。SEM显示大量的LSM和SDC纳米颗粒均匀分布在阴极骨架的表面,大幅度增加了三相界面的长度,表现出了比单相浸渍阴极更高的电化学性能,交替浸渍37.6mgcm-2的LSM/SDC后,得到了最小的阴极极化阻抗:600oC为0.93Ωcm2、650oC为0.63Ωcm2。制备的具有交替浸渍阴极的单电池,700oC时最大功率密度为348mWcm-2。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 固体氧化物燃料电池及其关键材料
• 1.1 燃料电池简介
• 1.2 固体氧化物燃料电池概述
• 1.2.1 固体氧化物燃料电池的工作原理
• 1.2.2 固体氧化物燃料电池的电化学基础
• 1.2.3 固体氧化物燃料电池的关键材料
• 1.3 固体氧化物燃料电池阴极材料概述
• 1.3.1 阴极材料的要求
• 1.3.2 阴极材料的分类
• 1.3.3 阴极氧还原过程
• 1.3.4 阴极理论模型
• 1.3.5 SOFC 阴极的发展现状和趋势
• 1.4 本论文的研究目的和研究内容
• 参考文献
• 第二章 离子浸渍法制备纳米结构 SSC-SDC 复合阴极
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 粉体的制备
• 2.2.2 对称电池的制备
• 2.2.3 单电池的制备
• 2.2.4 测试和表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 浸渍阴极的结构
• 2.3.2 阴极骨架厚度、浸渍量、热处理程序对阴极极化阻抗的影响
• 2.3.3 单电池的性能表征
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 中温固体氧化物燃料电池纳米 LSM-SDC 复合阴极
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 粉体的制备
• 3.2.2 对称电池的制备
• 3.2.3 单电池的制备
• 3.2.4 测试过程
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 交替浸渍法制备的复合阴极的成相情况与微观形貌
• 3.3.2 对称电池的界面阻抗
• 3.3.3 单相浸渍阴极与交替浸渍阴极的界面阻抗的比较
• 3.3.4 单电池的输出性能
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果