微納米纖維在固體氧化物燃料電池中的應(yīng)用.pdf

1、固體氧化物燃料電池（Solid oxide fuel cell，簡(jiǎn)稱SOFC）是一種能直接將燃料的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能的裝置，其因能量轉(zhuǎn)化率高、對(duì)環(huán)境污染小而越來(lái)越受到人們的關(guān)注。SOFC主要由電解質(zhì)、陰極和陽(yáng)極構(gòu)成，其中陰極和陽(yáng)極需要具有電化學(xué)催化活性以及多孔的微結(jié)構(gòu)。為了獲得豐富的電化學(xué)反應(yīng)區(qū)并為其提供充足的燃料，從而提高電池的電化學(xué)性能，陽(yáng)極制備過(guò)程中造孔劑的使用是至關(guān)重要的。由于近些年一維納米材料的興起，人們對(duì)可以

2、生產(chǎn)一維納米材料的靜電紡絲技術(shù)產(chǎn)生了極大的興趣。這種技術(shù)利用很強(qiáng)的電場(chǎng)力能夠紡出非常細(xì)的一維纖維，這些纖維可被用于催化劑、傳感器、醫(yī)學(xué)中的人造血管等，其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、潛在應(yīng)用極其廣泛，因而也越來(lái)越受到人們的重視。本文主要研究了靜電紡絲技術(shù)制備的微納米纖維和紙纖維作為造孔劑在SOFC中的應(yīng)用。微納米纖維作為陽(yáng)極造孔劑，在器件成型階段混合在氧化物顆粒之中，經(jīng)過(guò)高溫處理后，這種有機(jī)纖維會(huì)被燒掉，在陽(yáng)極中形成線狀孔洞，這樣使用少量的纖

3、維就能夠在陽(yáng)極中形成連通的孔，這種孔洞能夠使反應(yīng)氣體和產(chǎn)物氣體在陽(yáng)極中更容易流通，從而減小濃差極化，并通過(guò)使更多的電極催化劑獲得與反應(yīng)氣體接觸的機(jī)會(huì)而增加三相反應(yīng)區(qū)域，使電化學(xué)反應(yīng)更容易進(jìn)行。對(duì)于傳統(tǒng)的造孔劑，如面粉、活性炭等，它們?cè)陉?yáng)極中形成球形或形狀不規(guī)則孔洞，只有使用大量的傳統(tǒng)造孔劑才能在陽(yáng)極中形成連通的孔洞，這樣容易因?yàn)樵炜讋┑倪^(guò)量使用導(dǎo)致陽(yáng)極機(jī)械強(qiáng)度的降低。
　　本文使用NiO粉體、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）粉體及造孔劑

4、制備薄膜固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極支撐體，隨后采用漿料旋涂法制備陽(yáng)極支撐的YSZ薄膜，將Sm0.2Ce0.8O1.9（SDC）浸漬的La0.7Sr0.3MnO3（LSM）陰極涂覆于電解質(zhì)薄膜上，制成單電池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用靜電紡絲技術(shù)制備SDC/PVA、CeO2/PVA和ZrO2/PVA復(fù)合纖維，在高溫煅燒后，經(jīng)過(guò)XRD測(cè)試確定，復(fù)合纖維中的有機(jī)物 PVA被燒掉，剩下最終的氧化物依然保留纖維形貌，PVA在200～300℃分解。在靜電紡絲

5、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，前軀體溶液的粘度、固化距離、硝酸鹽溶液的含量和電壓影響紡出纖維的質(zhì)量和形貌。由于靜電紡絲纖維獨(dú)特的性質(zhì)，將有機(jī)纖維用于SOFC的造孔劑。將紡出的PVA有機(jī)纖維磨碎成直徑為50～100μm的小細(xì)棒，作為SOFC的造孔劑制成陽(yáng)極支撐體，造孔劑在陽(yáng)極中形成直徑約為10μm線狀孔洞，用這種陽(yáng)極支撐體制備成單電池，在750℃的開路電壓為1.11V，800℃的最大功率密度為751mW/cm2,電池的輸出性能良好。為了避免靜電紡絲纖維在研

6、磨破碎的過(guò)程中的粘連，直接使用新鮮的纖維與NiO/YSZ粉末混合制備單電池（YN-S-fiber），并與未添加任何造孔劑的單電池（YN11）比較。YN-S-fiber所需的還原時(shí)間比YN11短，輸出性能也優(yōu)于YN11。在對(duì)靜電紡絲纖維研究的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步降低成本、提高效率和簡(jiǎn)化工藝，進(jìn)行了紙纖維作為造孔劑的研究。紙纖維造孔劑的制作工藝更加簡(jiǎn)單，卻可以形成和靜電紡絲纖維一樣在陽(yáng)極中形成細(xì)長(zhǎng)狀孔洞。紙纖維的直徑為10～20μm，長(zhǎng)度為5

7、0～500μm，在陽(yáng)極中形成孔的直徑約為10μm。制備與紙纖維含量相同的面粉造孔劑單電池與紙纖維造孔劑電池比較，當(dāng)造孔劑的含量較少時(shí)，由于較少的紙纖維造孔劑就能形成連通的孔，面粉造孔劑則不能，所以在同等少量使用造孔劑的情況下，紙纖維電池的電化學(xué)輸出性能優(yōu)于面粉電池的。當(dāng)造孔劑含量較多時(shí)，兩種造孔劑都能形成連通的孔，而紙纖維為造孔劑的陽(yáng)極孔隙率高，三相反應(yīng)界面減小，并且紙纖維在陽(yáng)極中形成大量的橫向條狀封閉氣孔，所以過(guò)量的紙纖維并沒有提高電