中溫固體氧化物燃料電池的陰極材料和陰極過程.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效低污染的電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換器件。然而SOFC的商業(yè)化還有許多障礙，其中之一是陰極高的極化損失。本論文旨在提高陰極的性能，主要方式包括(1)改善傳統(tǒng)的陰極材料；(2)開發(fā)新的替代陰極材料；(3)建立理論模型研究決定陰極性能的因素。
　　 針對SOFC的傳統(tǒng)陰極材料La1-xSrxMnO3±δ(LSM)氧離子電導(dǎo)率的缺點，加入具有最高氧離子電導(dǎo)率的Bi2O3基氧離子導(dǎo)體(以Y0.5Bi1.5O3(

2、YSB)為例)，構(gòu)成了LSM-YSB復(fù)合陰極。并分別在氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)和摻雜氧化鈰電解質(zhì)上，制備不同微結(jié)構(gòu)的復(fù)合陰極，即(1)LSM-YSB的機械混合陰極；(2)以多孔LSM為骨架，復(fù)合納米YSB的納米復(fù)合陰極。
　　 首先，采用X射線衍射(XRD)分析證明了YSB與LSM之間無明顯的化學(xué)反應(yīng)。然后用機械混合—絲網(wǎng)印刷法制備了LSM-YSB復(fù)合陰極，并進行了電化學(xué)表征。采用電化學(xué)阻抗譜測量了以LSM-YSB為電極的對

3、稱電池，結(jié)果表明LSM-YSB電極的極化電阻(Rp)隨著YSB含量的升高而降低，并存在最小值(0.18Ω cm2，700℃)。通過研究Rp與氧分壓的關(guān)系，表明YSB的加入不改變電極反應(yīng)機理，但顯著提高了LSM陰極的性能。單電池的測試表明，通過微結(jié)構(gòu)優(yōu)化是進一步提高LSM-YSB復(fù)合陰極性能的有效手段。
　　 此外，通過離子浸漬法優(yōu)化LSM-YSB陰極的微結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為納米級的YSB粒子覆蓋在微米級的多孔LSM粒子表面。70

4、0℃時，納米YSB浸漬的LSM陰極的最低Rp為0.14Ω cm2，僅為純LSM電極的0.2％。。通過電極阻抗譜與YSB含量關(guān)系的研究，表明YSB在LSM粒子上的逐漸覆蓋，提高了電極的三相界面(TPB)數(shù)量，從而加快了氧的電化學(xué)還原反應(yīng)速率，即在電極表面的解離過程和在TPB處的電荷轉(zhuǎn)移過程。在所有基于LSM的復(fù)合陰極中，YSB納米粒子覆蓋的LSM陰極具有最低的Rp，分析平行制備的YSB浸漬和Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)浸漬的LS

5、M電極的阻抗譜，表明YSB相對于其他氧離子導(dǎo)體更能有效提高LSM電極性能，其可能的原因是：其更高的氧離子電導(dǎo)率使TPB能擴展到離電極-電解質(zhì)更遠的地方。使用YSB浸漬的LSM為陰極的單電池在600和700℃的最大輸出功率分別可達到300和666 mW cm-2，表明了這種電極具有應(yīng)用于中溫(500-800℃)SOFC的潛力。YSB浸漬的LSM電極Rp還受到電解質(zhì)的影響，YSB的含量越多，這種影響越小，通過修正陰極反應(yīng)步驟，理論分析了電解

6、質(zhì)影響電極Rp的原因。
　　 為了從理論上驗證復(fù)合電極中高的離子電導(dǎo)率是否能使TPB擴展得更遠，建立理論模型研究了SOFC電極的有效厚度。此模型考慮了復(fù)合電極內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，電子和離子的傳遞，以及電極的微結(jié)構(gòu)。電極的有效厚度對應(yīng)于電極性能最優(yōu)時電極的理論厚度，經(jīng)過模型計算表明此厚度同時為電荷轉(zhuǎn)移電阻率、有效離子(電子)電阻率以及單位體積內(nèi)三相線長度的函數(shù)。通過與實驗數(shù)據(jù)比較驗證了模型的可用性。模擬結(jié)果表明電極成分、粒子大小、電

7、極材料的本征電阻率、操作溫度、以及電極反應(yīng)的機理都影響著復(fù)合電極的有效厚度。特別是驗證了復(fù)合電極中的氧離子導(dǎo)體電導(dǎo)率越高，有效厚度越大。
　　 證明了Bi0.5Sr0.5MnO3(BSM)是一種潛在的LSM替代材料。全面考察了BSM與電解質(zhì)的化學(xué)和熱匹配性、電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率以及電化學(xué)性能。XRD分析結(jié)果表明BSM與SDC化學(xué)匹配。BSM的熱膨脹系數(shù)也與SDC電解質(zhì)接近。600-800℃時BSM的總電導(dǎo)率為82-200 S