论文部分内容阅读
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是可以将储存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能的一种全固态的化学发电装置。阳极是SOFC单电池中燃料进行氧化反应的场所,因此,阳极材料性能直接影响SOFC整体的能源使用率。H2用作Ni基金属-陶瓷复合阳极的燃料时,其催化活性和输出性能均较高,但存在成本高、难储存、难运输等问题。在替代镍阳极物的ABO3钙钛矿中,La Cr O3基材料具有混合的离子-电子导电性和良好的稳定性,能够较好地催化碳氢燃料,同时抑制阳极上的碳沉积与硫中毒,因此受到广泛关注。本课题通过构建纳米纤维结构La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ(LSCM)基阳极,改善阳极结构,增大阳极催化活性区域,从而提高阳极的电化学性能。主要研究结果如下:(1)采用溶胶-凝胶法制备La1-x Srx Cr0.5Mn0.5O3-δ(x=0、0.2、0.25、0.4、0.6、0.8)干凝胶粉体,探究煅烧温度以及Sr掺杂量对LSCM粉体物相的影响。结果表明,在1100、1200℃煅烧后,当Sr的掺杂量取x=0.25时,能得到结晶度较高的纯钙钛矿结构。以La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ作为研究对象,经900℃、煅烧2 h后可得到晶粒尺寸较小的LSCM钙钛矿相粉体;并随着温度升高,LSCM晶粒逐渐长大。(2)通过5种电纺液进行静电纺丝制备LSCM纤维前驱体,高温热处理后制备了耐高温的LSCM纳米纤维。SEM图分析表明,随着煅烧温度的升高,LSCM纤维的直径逐渐变小;经1150℃煅烧2h后,采用LSCM溶胶与PVP水溶液、LSCM粉体与PVP水溶液分别进行静电纺丝制备的纤维断裂较严重,而通过硝酸盐溶液与PVP水溶液,硝酸盐溶液、PVP溶液与分散剂分别进行静电纺丝制备所得样品仍然保持纤维状,形成由小颗粒串联起来的纤维;经1250℃煅烧2 h后,通过硝酸盐溶液、PVP溶液与分散剂电纺液制备的LSCM纤维仍然保持纤维状,且纤维颗粒间接触点增加,耐高温性好、长径比大。(3)分别以LSCM粉体、LSCM纳米纤维、La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ-Ce0.9Gd0.1O2-δ(LSCM-GDC)复合纳米纤维作为阳极,组装LSCM‖GDC‖LSCF+GDC与LSCM+GDC‖GDC‖LSCF+GDC单电池并对比电化学性能。结果表明,在700℃工作温度下,以湿氢气(3 vol.%H2O)为燃料气,以LSCM纤维材料为阳极的单电池表现出更好的电化学性能,其最大功率密度与极化阻抗分别为63.42 m W·cm-2和3.64Ω·cm2,优于以LSCM粉体制备阳极的单电池(32.05 m W·cm-2和8.31Ω·cm2)。LSCM+GDC‖GDC‖LSCF+GDC单电池在700℃工作温度下最大功率密度达到149.93 m W·cm-2,极化电阻为1.35Ω·cm2。表明LSCM纤维骨架引入离子导体相GDC进行复合改善后,可形成离子和电子传导的连续路径以及有效增加三相界面反应区域,降低了极化电阻,进一步提高了阳极的电化学性能。