鎵酸鑭基中溫固體氧化物燃料電池的制備及性能研究.pdf

1、本研究采用非水基流延法制備大面積鎵酸鑭(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ簡稱LSGM)電解質(zhì)支撐體，并對與之相匹配的新型高性能電極的材料制備、組織結(jié)構(gòu)和各方面性能特別是電化學(xué)性能進(jìn)行詳細(xì)系統(tǒng)的研究，為大功率電池堆的組裝打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　對固相反應(yīng)法合成LSGM粉體的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定了LSGM粉體的最佳煅燒制度為：900℃預(yù)燒24h，1300℃煅燒36h，得到粉體平均粒徑為3.04μm。隨后通過沉降試驗(yàn)和粘

2、度測試，確定了LSGM的流延漿料組成：粉料—LSGM80g，溶劑—丁酮/乙醇36mL/24mL，分散劑—三乙醇胺2mL，粘結(jié)劑—聚乙烯縮丁醛6.4g，塑性劑—聚乙二醇/鄰苯二甲酸二乙酯3.2g/4mL。用此漿料流延出的素坯經(jīng)過1500℃燒結(jié)6h后，制備出宏觀平整均勻、大小為10cm×10cm的大面積LSGM電解質(zhì)，相對密度和顯氣孔率分別可以達(dá)到96.0％和0.38%，與玻璃陶瓷密封膠BCAS551的熱膨脹匹配性良好，保證了工作溫度范圍內(nèi)

3、電池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。電化學(xué)阻抗譜分析表明LSGM電解質(zhì)低溫區(qū)電導(dǎo)率主要取決于晶界電導(dǎo)，而在高溫區(qū)電導(dǎo)率主要取決于晶粒電導(dǎo)。低溫下由于缺陷締合的存在，電導(dǎo)率激活能較高為0.91eV，隨著溫度升高到600℃解締合之后，在高溫下的激活能較低為0.62eV。
　　利用NiO-La0.45Ce0.55O2-δ(LDC)陽極/LDC阻擋層/LSGM電解質(zhì)這一陽極半電池中La3+離子的等活度策略，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了LDC作為NiO-LDC新型陽極和LS

4、GM電解質(zhì)之間的阻擋層，來抑制陽極與電解質(zhì)間的界面反應(yīng)。采用草酸共沉淀法制備出分布范圍較窄平均粒徑為1.36μm的LDC粉體。通過對漿料粘結(jié)劑、絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)工藝的系統(tǒng)研究，采用絲網(wǎng)印刷法成功制備出一層厚約10μm、表面致密且與電解質(zhì)結(jié)合緊密的LDC阻擋層薄膜。該薄膜與電解質(zhì)和陽極間化學(xué)相容性和熱膨脹匹配性良好，并改善了陽極與電解質(zhì)之間的熱膨脹匹配性，抑制了陽極/電解質(zhì)界面固相反應(yīng)的發(fā)生，在還原氣氛下的混合離子電導(dǎo)促進(jìn)了陽極/電解質(zhì)界面

5、的電荷轉(zhuǎn)移過程。
　　采用共沉淀法合成了在分子級水平上混合均勻的NiO-LDC陽極復(fù)合粉體，制備了新型NiO-LDC復(fù)合陽極。發(fā)現(xiàn)NiO的含量決定了陽極的導(dǎo)電機(jī)制，當(dāng)NiO的含量>25mass%時(shí)金屬Ni在陽極中形成連通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的“逾滲相變”是造成導(dǎo)電機(jī)制發(fā)生變化的微觀機(jī)制，其中NiO含量為60mass%的陽極電導(dǎo)率高達(dá)2260S·cm-1，催化性能較好，在極化電流密度接近200mA·cm-2時(shí)，過電位為0.1V。

6、　　通過對SrCo0.8Fe0.2O3-δ(SCF)粉體合成工藝、陰極燒結(jié)工藝、LDC與SCF和LSGM的熱膨脹匹配性和化學(xué)相容性的系統(tǒng)研究，制備了SCF-LDC復(fù)合陰極，研究表明LDC的加入可以有效改善陰極材料的熱膨脹性能，增大陰極的三相反應(yīng)界面，內(nèi)層中LDC含量為50mass%的SCF50雙層復(fù)合陰極的電化學(xué)性能最好，800℃時(shí)在0.1V過電位的極化電流密度達(dá)到了1.102A·cm-2，極化電阻為0.1480Ω·cm2，優(yōu)于單層復(fù)合

7、陰極中最佳的SCF60陰極。在此基礎(chǔ)上，提出并制備了SCF-LDC三層復(fù)合陰極，優(yōu)化結(jié)構(gòu)為SCF含量在三層陰極中由內(nèi)至外分別為50mass%、70mass%和10mass%。復(fù)合陰極中LDC的加入，不僅大大改善了陰極與電解質(zhì)間的結(jié)合和SCF陰極的熱膨脹性能，而且增加了三相界面和陰極的總的比表面積，使三層復(fù)合陰極在800℃過電位為0.1V時(shí)，極化電流密度達(dá)到了1.32A·cm-2。通過電化學(xué)阻抗譜系統(tǒng)地研究了復(fù)合陰極的電化學(xué)性能，提出了S