【摘要】：發(fā)展清潔高效的能源技術(shù)是人類社會可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。將燃料、氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的高效低排放的能量轉(zhuǎn)換裝置—固體氧化物燃料電池(SOFC)已引起人們廣泛的關(guān)注。研發(fā)中低溫SOFC,降低成本、延長壽命是商業(yè)化發(fā)展的需求,也是目前研究與發(fā)展的熱點(diǎn)和趨勢。電極作為SOFC的核心部件之一,其性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)電池的電化學(xué)性能、長期穩(wěn)定性及使用壽命。本論文基于三相界面理論,設(shè)計(jì)制備了具有納米纖維結(jié)構(gòu)的電極材料,成功制備了具有優(yōu)異性能的納米纖維基復(fù)合陰極、納米纖維基復(fù)合陽極,并通過制備成單電池研究了納米纖維基復(fù)合電極的可應(yīng)用性。論文首先研制了SOFC領(lǐng)域難燒結(jié)制備的新興陰極材料Y0.3Sr0.7Co O3-δ(YSC)。采用溶膠凝膠法制備了YSC顆粒,1100℃煅燒96h,YSC完全成相(但含有微量Y2O3雜相)。采用靜電紡絲技術(shù)首次制備了YSC納米纖維,經(jīng)900℃煅燒2h,YSC纖維完全成相(但仍含有微量Y2O3雜相)。該納米纖維制備在GDC電解質(zhì)上的燒制溫度降低至1000℃,形成的YSC納米纖維陰極具有較高的孔隙率。通過浸入大量的Gd0.2Ce0.8O1.9(GDC)相后形成的納米纖維基YSC-GDC復(fù)合陰極表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能。當(dāng)YSC與GDC的質(zhì)量比為1:0.44時(shí),界面極化電阻(Rp)達(dá)到最低值,在650℃測得的Rp值為0.200Ω·cm2,小于顆�；鵜SC-GDC復(fù)合陰極對應(yīng)溫度測得的Rp值。納米纖維基YSC-GDC復(fù)合陰極在700℃恒流極化108h后,Rp值有所增加,穩(wěn)定性并不理想。基于YSC的研究結(jié)果,利用靜電紡絲技術(shù)首次制備了Sm0.5Sr0.5Co O3-δ(SSC)納米纖維,800℃煅燒2h便可形成純相。將SSC納米纖維于1000℃燒制在GDC電解質(zhì)上,通過浸漬GDC相形成的納米纖維基SSC-GDC復(fù)合陰極具有較好的電化學(xué)性能。當(dāng)SSC與GDC的質(zhì)量比為1:0.87時(shí),Rp達(dá)到最低值,在650℃時(shí)為0.038Ω·cm2,小于之前的文獻(xiàn)報(bào)道值。650℃時(shí),納米纖維基SSC-GDC復(fù)合陰極在0.2A·cm-2恒流極化107h后,Rp值沒有增加,表現(xiàn)出良好的長期穩(wěn)定性。該復(fù)合陰極在La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)電解質(zhì)上的Rp值也小于之前的文獻(xiàn)報(bào)道值。800℃時(shí),LSGM電解質(zhì)支撐的納米纖維基SSC-GDC復(fù)合陰極在0.2A·cm-2恒流極化100h后,Rp值由0.0383Ω·cm2變?yōu)?.0379Ω·cm2,具有較好的穩(wěn)定性,為單電池的制備提供了可能性。利用靜電紡絲技術(shù)首次制備了La0.2Sr0.8Ti O3+δ(LST)納米纖維,在600℃下煅燒可獲得純相,為實(shí)現(xiàn)電極在電解質(zhì)上的低溫?zé)Y(jié)創(chuàng)造了有利條件。LST納米纖維于1000℃成功燒制在1mol%Ce O2-10mol%Sc2O3-89mol%Zr O2(Sc SZ)電解質(zhì)上,低于LST陽極-Sc SZ電解質(zhì)界面二次相的生成溫度1200℃。同樣采用浸漬GDC相的方法制備的納米纖維基LST-GDC復(fù)合陰極,隨GDC浸漬量的增加,Rp值逐漸降低,當(dāng)LST與GDC的質(zhì)量比小于1:0.92直至減小到1:1.31時(shí),Rp趨于平穩(wěn)。LST-GDC(1:0.92)復(fù)合陽極在800℃、850℃、900℃和950℃測得的Rp值分別為0.95Ω·cm2、0.63Ω·cm2、0.38Ω·cm2和0.27Ω·cm2,小于之前文獻(xiàn)報(bào)道值。納米纖維基LST-GDC(1:0.88)復(fù)合陽極,在0.557V的恒電壓負(fù)載條件下,950℃至550℃之間,以13℃/min速度快速升降溫,經(jīng)過26次循環(huán)后,電流密度沒有減小,表明該電極具有良好的抗熱沖擊能力。納米纖維基LST-GDC(1:1)復(fù)合陽極在950℃時(shí)經(jīng)過11次氧化還原循環(huán)后,測得的Rp值仍為0.261Ω·cm2,說明該電極具有優(yōu)異的氧化還原穩(wěn)定性。此外,納米纖維基LST-GDC復(fù)合陽極燒制在LSGM電解質(zhì)上,也同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能�；谝陨涎芯�,將納米纖維基SSC-GDC復(fù)合陰極和納米纖維基LST-GDC復(fù)合陽極制備在LSGM電解質(zhì)上,構(gòu)成LSGM電解質(zhì)支撐的單電池,測試結(jié)果再現(xiàn)了納米纖維基復(fù)合電極優(yōu)異的電化學(xué)性能,初步證實(shí)了納米纖維基復(fù)合電極的實(shí)際應(yīng)用性。利用該單電池初步分析了電解質(zhì)歐姆電阻、電極歐姆電阻和電極電化學(xué)反應(yīng)電阻對電池動力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明,納米纖維基LST-GDC(1:1.14)復(fù)合陽極的界面極化電阻、歐姆電阻、電化學(xué)反應(yīng)電阻都明顯小于納米顆粒基LST-GDC(1:0.5)復(fù)合陽極,納米纖維LST-GDC復(fù)合陽極表現(xiàn)出了的優(yōu)異電化學(xué)性能。通過減少LSGM電解質(zhì)的厚度,可提高單電池的功率性能。在800℃時(shí),以H2為燃料,單電池的最大功率密度為0.149W·cm-2;以512ppm H2S-H2為燃料,最大功率密度為0.155W·cm-2,0.5V恒電位工作8h后,電流沒有減小,表現(xiàn)出很好的耐H2S毒化特性;在800℃時(shí),水蒸氣的分壓為0.10 atm,H2的分壓為0.90atm時(shí),-0.5V恒壓條件下陰極極化(即水電解H2O+4e→2H2+2O2-)時(shí),電流密度為-0.332A·cm-2,表現(xiàn)出較好的電解水性能。單電池的這些研究結(jié)果為納米纖維基SSC-GDC復(fù)合陰極和納米纖維基LST-GDC復(fù)合陽極的實(shí)際應(yīng)用奠定了研究基礎(chǔ)。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TQ340.1;TM911.4
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本文編號：2258732