Sc2O3稳定ZrO2基中温固体氧化物燃料电池电极的制备及性能研究

摘要

发展中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)成为当前SOFCs的主要研究方向。本论文以Sc2O3稳定ZrO2(SSZ)基IT-SOFCs作为研究对象，对SSZ电解质的物理性能和电化学性能进行系统地研究。提出了Ni-SSZ梯度阳极结构的设计，改进了SSZ基IT-SOFCs阳极的性能。此外，还开发了新型Pr0.6Sr0.4FeO3-δ-Ce0.9Pr0.1O2-δ(PSFO-CPO)复合阴极材料，并且利用静电纺丝技术获得PSFO-CPO纳米纤维复合阴极，改进了SSZ基IT-SOFCs阴极的性能。
　　通过溶胶-凝胶法成功地制备了单相SSZ粉体，它的平均粒径为90 nm，比表面积达到8.7 m2·g-1，适用于流延成型法制备SSZ电解质。SSZ素坯分别在不同温度下烧结。随着烧结温度的增加，气孔逐渐减少，晶粒逐渐长大，致使SSZ素坯收缩和致密化。其中，1550 oC烧结的样品抗弯强度最高，达到708 MPa。而过高的烧结温度，导致烧结的样品晶粒过大，抗弯强度降低。1550 oC烧结的样品电导率最高，在800 oC电导率达到0.14 S·cm-1。1550 oC烧结的电解质的单电池展现了最佳的放电性能，在650 oC、700 oC、750 oC和800 oC的最大功率密度分别为0.18、0.36、0.51和0.72 W·cm-2。
　　采用流延成型法和共烧结技术成功地制备了Ni-SSZ梯度阳极的阳极支撑型SOFCs。通过热重-差热和热收缩实验研究了素坯的热分解和烧结行为，优化了烧结制度。通过调节造孔剂的含量，阳极中的孔隙率和孔径尺寸从内层到外层逐渐增加。内层阳极的孔径小、比表面积高，能够提供更多的电化学反应活性位点；外层阳极的孔径大、孔隙率高，更有利于燃料气体的扩散。Ni-SSZ梯度阳极的单电池的电化学性能高于Ni-SSZ非梯度阳极的单电池，在800 oC的功率密度分别为1.00 W·cm-2和0.8 W·cm-2，性能提高了25%。为了简化电池制备过程，采用层压法制备Ni-SSZ/SSZ/LSM-SSZ单电池，并优化了共烧结制度。
　　为了改善阴极的性能，采用“一锅法”成功地制备了PSFO-xCPO(x=0-50 wt.%)新型复合阴极材料。1000 oC烧结后，形成PSFO和CPO相。PSFO和CPO颗粒均匀分布，相互连接，形成三维网络结构，能够提供更多的电化学反应位点。PSFO-xCPO中，随着CPO含量的增加，促进了氧离子在阴极的传导，提高了复合阴极的电化学性能。PSFO-40CPO的体积比接近理论值68:32，CPO颗粒之间相互连通，能够有效的改善氧气的吸附和氧离子的传导。当CPO过量时，PSFO的连通性降低，导致电子传导通道受阻，电化学反应活性位点减少。PSFO-40CPO的单电池展现了最佳的放电性能，在800 oC的最大功率密度为1.30 W·cm-2。GDC阻挡层有效地降低了PSFO-xCPO阴极与SSZ电解质的热膨胀系数不匹配性，阻挡了PSFO-xCPO阴极与SSZ电解质的化学反应。100 h稳定性实验后，在SSZ电解质/GDC阻挡层/PSFO-40CPO阴极界面没有明显的化学元素扩散，放电性能没有衰减。
　　采用一步静电纺丝法成功地制备了 PSFO-40CPO纳米纤维复合阴极。900 oC烧结后，形成 PSFO和 CPO相。PSFO-40CPO纳米纤维的直径大约为100 nm， PSFO和 CPO颗粒的直径大约为20-40 nm。纳米纤维结构阴极颗粒之间有序连接，孔隙率高，形成三维网络多孔结构，为氧离子的传导和电荷的传导提供了一个高速通道。有效地延长了三相反应界面长度，改善了阴极的性能。PSFO-40CPO纳米纤维结构阴极的电化学性能优于 PSFO-40CPO粉体结构阴极，在800 oC的RP分别为0.072Ω·cm2和0.10Ω·cm2，RP降低了28%。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 固体氧化物燃料电池(SOFCs)概述

1.3 电解质的研究现状

1.4 阳极的研究现状

1.5 阴极的研究现状

1.6 SOFCs的发展趋势

1.7 本论文研究的目的和主要研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验仪器和试剂

2.2 电池制备方法

2.3 物理性能测试与表征

2.4 电化学性能测试

第3章 SSZ电解质的制备及性能研究

3.1 引言

3.2 SSZ粉体的制备及性能研究

3.3 SSZ电解质的制备及性能研究

3.4 SSZ电解质的电化学性能研究

3.5 本章小结

第4章 Ni-SSZ梯度阳极的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 Ni-SSZ梯度阳极的制备及烧结制度的研究

4.3 Ni-SSZ梯度阳极的表征

4.4 Ni-SSZ梯度阳极的性能研究

4.5 Ni-SSZ/SSZ/LSM-SSZ单电池的制备及性能研究

4.6 本章小结

第5章 Pr0.6Sr0.4FeO3-δ-Ce0.9Pr0.1O2-δ复合阴极的制备及性能研究

5.1 引言

5.2 一锅法制备PSFO-CPO复合阴极

5.3 PSFO-CPO复合阴极的表征

5.4 PSFO-CPO复合阴极的性能研究

5.5 PSFO-CPO复合阴极单电池的性能研究

5.6 本章小结

第6章 Pr0.6Sr0.4FeO3-δ-Ce0.9Pr0.1O2-δ纳米纤维复合阴极的制备及性能研究

6.1 引言

6.2 静电纺丝法制备PSFO-CPO纳米纤维复合阴极

6.3 静电纺丝法影响因素

6.4 PSFO-CPO纳米纤维复合阴极的表征

6.5 PSFO-CPO纳米纤维复合阴极的性能研究

6.6 PSFO-CPO纳米纤维复合阴极单电池的性能研究

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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