基于陶瓷納米纖維SOFC電極材料的制備及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的中低溫化解決了傳統(tǒng)SOFC因溫度過(guò)高帶來(lái)的材料選擇、制備等問(wèn)題，成為近年來(lái)SOFC研究的熱點(diǎn)。在中低溫下，影響電池效率的主要因素是電極的極化損失。電極材料的選擇和微觀(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是減小電極極化、獲得高性能SOFC的途徑。
　　本論文針對(duì)中低溫固體氧化物燃料電池極化阻抗問(wèn)題，結(jié)合先進(jìn)的靜電紡絲技術(shù)，提出具有新型微觀(guān)結(jié)構(gòu)的陶瓷納米纖維SOFC電極材料，構(gòu)建3D網(wǎng)

2、絡(luò)結(jié)構(gòu)的三相界面，提高電池的效率。主要研究?jī)?nèi)容包括以下部分:
　　(1)采用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合溶膠凝膠法制備N(xiāo)i/Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)復(fù)合納米纖維陽(yáng)極材料，探討了金屬-陶瓷復(fù)合納米纖維的制備工藝，首次實(shí)現(xiàn)了金屬和陶瓷材料一體化纖維。制備了含60 wt％ Ni和30 wt％ Ni的Ni/SDC復(fù)合納米纖維，分別記作60Ni/SDC-F和30Ni/SDC-F。采用聚丙烯酰胺溶膠凝膠法制備了(La0.8Sr0.2Mn)0

3、.98O3(LSM)納米粉體，記作LSMP。采用檸檬酸溶膠凝膠法制備了SDC納米粉體，記作SDCP。組裝了兩種纖維陽(yáng)極單電池，分別記作60Ni/SDC-F|SDC|50SDCP-LSMP和30Ni/SDC-F|SDC|50SDCP-LSMP，研究了纖維中Ni含量對(duì)SOFC電化學(xué)性能的影響。同時(shí)通過(guò)傳統(tǒng)球磨法制備了60Ni/SDC-P納米粉體陽(yáng)極材料并組裝了粉體陽(yáng)極單電池，記作60Ni/SDC-P|SDC|50SDCP-LSMP，比較了N

4、i/SDC復(fù)合納米纖維和納米粉體陽(yáng)極組裝的單電池的電化學(xué)性能。
　　60Ni/SDC-F纖維陽(yáng)極單電池在700℃和750℃時(shí)的極化阻抗分別為1.508Ω·cm2和0.576Ω·cm2，最大功率密度分別為94 mW·cm-2和187 mW·cm-2。30Ni/SDC-F纖維陽(yáng)極單電池在700℃和750℃時(shí)的極化阻抗分別為2.297Ω·cm2和1.600Ω·cm2，最大功率密度分別為60 mW·cm-2和88 mW·cm-2，結(jié)果表明

5、60Ni/SDC-F纖維陽(yáng)極單電池性能優(yōu)于相同測(cè)試條件下的30Ni/SDC-F纖維陽(yáng)極單電池。60Ni/SDC-P粉體陽(yáng)極單電池在700℃和750℃時(shí)的極化阻抗分別為3.472Ω·cm2和1.363Ω·cm2，最大功率密度分別為65 mW·cm-2和122 mW·cm2，結(jié)果表明60Ni/SDC-F纖維陽(yáng)極單電池性能優(yōu)于相同測(cè)試條件下的60Ni/SDC-P粉體陽(yáng)極單電池。
　　(2)采用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合溶膠凝膠法制備鈣鈦礦結(jié)構(gòu)LS

6、M納米纖維陰極材料，記作LSMF。設(shè)計(jì)了纖維陰極對(duì)稱(chēng)電池和復(fù)合粉體陰極對(duì)稱(chēng)電池，分別記作LSMF|SDC|LSMF和50LSMP-SDCP|SDC|50LSMP-SDCP，研究了LSM納米纖維對(duì)SOFC陰極性能的影響。
　　LSM納米纖維構(gòu)建的LSMF纖維陰極具有良好的電化學(xué)性能。在700℃和750℃時(shí)的極化阻抗分別為0.749Ω·cm2和0.275Ω·cm2，50LSMP-SDCP復(fù)合粉體陰極的極化阻抗分別為1.005Ω·cm2

7、和0.465Ω·cm2，表明LSMF纖維陰極的極化阻抗均小于相同測(cè)試條件下的50LSMP-SDCP復(fù)合粉體陰極的極化阻抗。
　　(3)采用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合溶膠凝膠法制備SDC納米纖維，記作SDCF。設(shè)計(jì)了復(fù)合纖維陰極對(duì)稱(chēng)電池，記作50LSMP-SDCF|SDC|50LSMP-SDCF，研究了SDC納米纖維對(duì)SOFC陰極性能的影響。
　　SDC納米纖維構(gòu)建的50LSMP-SDCF復(fù)合纖維陰極在700℃和750℃時(shí)的極化阻抗分別