微纳米纤维在固体氧化物燃料电池中的应用

论文摘要

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell,简称SOFC）是一种能直接将燃料的化学能通过电化学氧化反应转化成电能的装置,其因能量转化率高、对环境污染小而越来越受到人们的关注。SOFC主要由电解质、阴极和阳极构成,其中阴极和阳极需要具有电化学催化活性以及多孔的微结构。为了获得丰富的电化学反应区并为其提供充足的燃料,从而提高电池的电化学性能,阳极制备过程中造孔剂的使用是至关重要的。由于近些年一维纳米材料的兴起,人们对可以生产一维纳米材料的静电纺丝技术产生了极大的兴趣。这种技术利用很强的电场力能够纺出非常细的一维纤维,这些纤维可被用于催化剂、传感器、医学中的人造血管等,其生产工艺简单、成本低廉、潜在应用极其广泛,因而也越来越受到人们的重视。本文主要研究了静电纺丝技术制备的微纳米纤维和纸纤维作为造孔剂在SOFC中的应用。微纳米纤维作为阳极造孔剂,在器件成型阶段混合在氧化物颗粒之中,经过高温处理后,这种有机纤维会被烧掉,在阳极中形成线状孔洞,这样使用少量的纤维就能够在阳极中形成连通的孔,这种孔洞能够使反应气体和产物气体在阳极中更容易流通,从而减小浓差极化,并通过使更多的电极催化剂获得与反应气体接触的机会而增加三相反应区域,使电化学反应更容易进行。对于传统的造孔剂,如面粉、活性炭等,它们在阳极中形成球形或形状不规则孔洞,只有使用大量的传统造孔剂才能在阳极中形成连通的孔洞,这样容易因为造孔剂的过量使用导致阳极机械强度的降低。在本论文中,使用NiO粉体、氧化钇稳定氧化锆（YSZ）粉体及造孔剂制备薄膜固体氧化物燃料电池的阳极支撑体,随后采用浆料旋涂法制备阳极支撑的YSZ薄膜,将Sm0.2Ce0.8O1.9（SDC）浸渍的La0.7Sr0.3MnO3（LSM）阴极涂覆于电解质薄膜上,制成单电池。实验结果表明,利用静电纺丝技术制备SDC/PVA、CeO2/PVA和ZrO2/PVA复合纤维,在高温煅烧后,经过XRD测试确定,复合纤维中的有机物PVA被烧掉,剩下最终的氧化物依然保留纤维形貌,PVA在200300℃分解。在静电纺丝实验过程中,前躯体溶液的粘度、固化距离、硝酸盐溶液的含量和电压影响纺出纤维的质量和形貌。由于静电纺丝纤维独特的性质,将有机纤维用于SOFC的造孔剂。将纺出的PVA有机纤维磨碎成直径为50100μm的小细棒,作为SOFC的造孔剂制成阳极支撑体,造孔剂在阳极中形成直径约为10μm线状孔洞,用这种阳极支撑体制备成单电池,在750℃的开路电压为1.11V,800℃的最大功率密度为751mW/cm2,电池的输出性能良好。为了避免静电纺丝纤维在研磨破碎的过程中的粘连,直接使用新鲜的纤维与NiO/YSZ粉末混合制备单电池（YN-S-fiber）,并与未添加任何造孔剂的单电池（YN11）比较。YN-S-fiber所需的还原时间比YN11短,输出性能也优于YN11。在对静电纺丝纤维研究的基础上,为了进一步降低成本、提高效率和简化工艺,进行了纸纤维作为造孔剂的研究。纸纤维造孔剂的制作工艺更加简单,却可以形成和静电纺丝纤维一样在阳极中形成细长状孔洞。纸纤维的直径为1020μm,长度为50500μm,在阳极中形成孔的直径约为10μm。制备与纸纤维含量相同的面粉造孔剂单电池与纸纤维造孔剂电池比较,当造孔剂的含量较少时,由于较少的纸纤维造孔剂就能形成连通的孔,面粉造孔剂则不能,所以在同等少量使用造孔剂的情况下,纸纤维电池的电化学输出性能优于面粉电池的。当造孔剂含量较多时,两种造孔剂都能形成连通的孔,而纸纤维为造孔剂的阳极孔隙率高,三相反应界面减小,并且纸纤维在阳极中形成大量的横向条状封闭气孔,所以过量的纸纤维并没有提高电池的电化学输出性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池
• 1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）
• 1.2.1 工作原理
• 1.2.2 SOFC 的组件
• 1.2.3 阳极造孔剂
• 1.3 静电纺丝技术简介
• 1.3.1 静电纺丝的发展历程
• 1.3.2 静电纺丝技术的原理
• 1.3.3 静电纺丝技术的优点
• 1.3.4 静电纺丝技术的国内外研究现状
• 1.4 论文要解决的问题
• 第2章 利用静电纺丝技术制备几种微纳米纤维
• 2.1 简介
• 2.2 实验
• 2.2.1 前驱溶液的配制
• 2.2.2 复合纤维的制备
• 2.2.3 高温煅烧复合纤维
• 2.2.4 样品测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 有机纤维微观形貌
• 2.3.2 复合纤维的TG-DTA 分析
• 2.3.3 氧化物纤维的微观形貌
• 2.3.4 氧化物纤维的X 射线衍射分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 研磨静电纺丝PVA 纤维作为造孔剂的研究
• 3.1 简介
• 3.2 实验
• 3.2.1 样品制备
• 3.2.2 样品测试
• 3.2.3 单电池的制备与测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 研磨后的纤维微观形貌
• 3.3.2 阳极的微观形貌
• 3.3.3 单电池的电化学性能
• 3.4 本章小结
• 第4章 粉末覆盖静电纺丝纤维作为造孔剂的研究
• 4.1 简介
• 4.2 实验
• 4.2.1 样品制备
• 4.2.2 样品表征
• 4.2.3 单电池测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 阳极的微观结构
• 4.3.2 阳极的高温还原电阻
• 4.3.3 阳极的烧结曲线
• 4.3.4 单电池的电化学性能
• 4.4 本章小结
• 第5章 纸纤维作为SOFC 造孔剂的研究
• 5.1 简介
• 5.2 实验
• 5.2.1 样品制备
• 5.2.2 样品测试
• 5.2.3 单电池测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 纸纤维的微观结构
• 5.3.2 纸纤维的TG-DTA 分析
• 5.3.3 阳极的微观结构
• 5.3.4 阳极的烧结曲线
• 5.3.5 阳极的TPR 测试
• 5.3.6 阳极的电导率
• 5.3.7 单电池电化学性能
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢