基于镓酸镧电解质的中温固体氧化物燃料电池研究

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固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种全固态结构的发电装置,具有能量转换效率高、成本低、污染小等优点,因此受到越来越多的关注。传统的SOFC通常使用YSZ(Y2O3稳定ZrO2)作为固体电解质,为了获得较高的输出性能,电池需要工作在较高的温度,一般为800oC-1000oC。然而,电池的高温运行会带来许多棘手的问题,如电极和密封材料的选择、电池的稳定性等,所以降低电池的工作温度势在必行,中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)应运而生。为了提高中温SOFC的性能,需要考虑两方面的问题:(1)使用在中温时具有较高氧离子电导率的电解质,即中温电解质;(2)优化电极结构,使其在中温时表现出较好的电化学活性。Sr和Mg掺杂的LaGaO3(LSGM)电解质在中温时具有较高的离子电导率(800oC时电导率可达0.15S cm-1),而且机械强度高、在较大的氧分压范围内化学稳定性好、离子迁移数高。但是研究表明,LSGM电解质与传统的Ni基阳极之间的化学相容性较差,高温时容易反应生成近似绝缘的镍酸镧,降低电池的输出性能。本文尝试使用浸渍的方法制备基于LSGM电解质的中温SOFC,避免LSGM和Ni基阳极的共烧结,并对电池的输出性能、稳定性、交流阻抗谱和微观结构进行测试分析。采用固相反应法制备了La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ电解质材料。对其进行X射线衍射(XRD)测试,结果表明在1400oC时材料呈纯的钙钛矿相;粒度分布测试表明,固相法合成的LSGM经球磨处理后,平均粒径为0.12μm,可以用于薄膜化的SOFC中;LSGM电解质材料的热膨胀系数为10.88×10-6K-1;对材料的烧结曲线进行测试,得出材料的开始烧结温度为1050oC,且在1350oC收缩速率达到最大,当温度从50oC升至1400oC时,样品收缩13.8%;电导率测试结果表明,800oC时LSGM的电导率高达0.08S cm-1。使用固相法合成的LSGM作为电解质材料,利用浸渍的方法制备纳米Ni/YSZ阳极,阴极选用Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3δ(BSCF),制备SOFC单电池,对不同电池的性能进行测试。结果表明,利用面粉挥发所造的孔隙在阳极中分布不均,在测试过程中Ni容易发生烧结团聚,而利用酸洗Ni的方式造的孔分布均匀,可以提高浸渍型电池的稳定性。浸渍液中分散剂尿素的加入,可以提高Ni在阳极中分布的均匀度,提高电池的输出性能和稳定性。稳定性测试结果表明,降低电池的工作温度,可以有效提高电池的稳定性。由于Ni/YSZ阳极在中低温时电化学活性较差,改用纳米Ni/LSGM的阳极,制备研究基于LSGM电解质的SOFC单电池。结果表明,减小电解质膜的厚度,可以在一定程度上提高电池的输出性能,但是欧姆电阻往往不是限制电池性能的主要因素,要想获得较好输出性能,减小电池的极化电阻是刻不容缓的;当阳极为LSGM(1250oC煅烧):面粉=5:2.5(质量比)并经1400oC烧结而得,其中Ni的质量分数(阳极中Ni与LSGM的质量比)为5.7%时,阳极处于导通状态,电池表现出较好的输出性能,但稳定性差,当其质量分数升至约7.5%时,输出性能有小幅度提高,稳定性得到了明显的改善;以木薯粉作为造孔剂时,阳极内有较多的闭孔,限制了硝酸镍的浸入量,而且木薯粉的较大粒径,导致致密电解质膜的制备难度增大;当阳极使用1350oC煅烧的LSGM作为支撑体时,经1400oC烧结后,阳极孔隙率为40%,此时Ni的浸渍量可达20%,650oC时电池的开路电压为1.07V,最大功率密度为875mW cm-2;固相法合成的LSGM粉体可以用于干压法制备的SOFC中,650oC时电池的开路电压为1.08V,最大功率密度为523mW cm-2
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