直通孔结构阴极支撑型固体氧化物燃料电池的制备与性能研究

作     者：章慧麟 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡光洲;刘琪

授予年度：2022年

学科分类：081704[工学-应用化学] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：固体氧化物燃料电池 相转化流延 阴极支撑 离子表面修饰 机械强度 

摘      要：全球能源危机和环境保护的背景下,固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)可以直接将化学能转化为电能,成为可持续未来能源系统的重要组成部分之一。经过几十年的研究和开发,发展电极支撑以实现电解质薄膜化、降低工作温度已经成为人们研究SOFC的广泛共识。根据电池材料的发展水平,目前研究较多的是阳极支撑型SOFC,但Ni-YSZ阳极材料固有的缺陷使得阳极支撑型SOFC难以适应非常规燃料。相对而言,阴极支撑型SOFC具有最广泛的燃料适应性,且运行时阴极没有复杂的成分变化,耐久性好。相转化法制得的大孔结构表现了良好的气体传输性能,已被证实是改善阴极极化最好的方法之一。但相转化法制备支撑体目前存在的问题是:1、电极支撑体大多采用电子导电相与8mol%氧化钇稳定氧化锆(8YSZ)混合材料,8YSZ虽然具有良好的氧离子传导性能,但是断裂强度较低;2、由于相转化法溶剂萃取形成指状大孔的特性,在电池平面方向上强度会有所下降。为解决现有技术中的强度低及断裂韧性差等问题,本文研究相转化流延法制备阴极支撑型SOFC,采用高强度材料提供一种高机械强度阴极支撑型SOFC的结构与制备方法以及由此获得的高强度的阴极支撑型SOFC。主要内容如下:(1)采用固相法合成了A缺位的(LaSr)MnO(LSM95),使用相转化流延法制备了具有开放直孔结构的LSM95-3mol%氧化钇稳定氧化锆(3YSZ)阴极支撑体,柠檬酸络合法制备LaSrCoO(LSC)前驱体溶液,并用于制备阴极对称电池LSM95-3YSZ(LSC)|8YSZ(LSC)|8YSZ(致密)|8YSZ(LSC)|LSM95-3YSZ(LSC)以及LSM95-3YSZ(LSC)|8YSZ(LSC)|8YSZ(致密)|8YSZ(NiO)单电池。研究了纳米颗粒表面修饰对阴极电化学性能的影响,并以H为燃料气,空气为氧化剂对单电池性能进行表征,同时采用弛豫时间分布法(DRT)分析电极反应过程。实验结果表明,LSC纳米颗粒修饰后,增加了氧还原反应的有效三相界面长度,阴极侧的离子、电子传输能力增强,促进了阴极的氧解离吸附步骤,阴极极化阻抗明显降低,并且长期稳定性良好。LSC修饰后单电池在850 ℃、800 ℃、750 ℃、700 ℃时峰值功率密度分别为464 mW cm、271 mW cm、209 mW cm和144 mW cm,而未进行LSC修饰的峰值功率密度分别为100 mW cm、65 mW cm、37 mW cm和26 mW cm,性能明显提升。(2)为了进一步提高阴极支撑SOFC的机械强度,采用浸渍涂覆法、离子浸渍法制备了3YSZ(LSCF)|8YSZ(LSCF)|8YSZ(致密)|8YSZ(NiO)四层结构的单电池。3YSZ支撑体具有较好的抗弯强度,平均抗弯强度可达131.95 MPa。在H-Air测试条件下,650℃、700℃、750℃、800℃和850℃下电池峰值功率密度分别为251 mW cm、300 mW cm、378 mW cm、451 mW cm和540 mW cm。750℃、0.75V恒压下对电池进行放电稳定性测试,60 h后电池未发生分层开裂等现象,具有良好的结构稳定性。