质子导体基固体氧化物燃料电池阴极的微观形貌修饰与性能研究

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能源问题关系到地球的可持续发展,作为高效的能源转换装置,固体氧化物燃料电池(SOFC)受到了广泛的关注。SOFC可以直接将化学能转化为电能且不需要燃烧过程,该能源转换装置还具有环境友好、燃料适应性强、结构简单等诸多优点。传统的氧离子传导固体氧化物燃料电池(O-SOFC)的工作温度较高,这为电池的封装和长期稳定性带来了隐患。相比之下,由于质子传导的活化能较低,使得基于质子电解质的质子传导固体氧化物燃料电池(H-SOFC)则能够在中低温条件下运行。随着工作温度的降低,要想确保电池整体运作效率,阴极材料的选择至关重要。论文研究围绕适用于H-SOFC的高性能材料开发展开了研究,通过阴极微观形貌修饰来提高阴极材料的电化学和催化性能,在中低温条件下获得理想的电池性能。论文在第一章部分交代了研究的背景,重点阐述了H-SOFC的工作原理、质子导体电解质材料和阴极材料等内容,并对本文使用到的静电纺丝和化学浸渍纳米制备工艺进行了介绍。第二章研究了静电纺丝方法制备的La2NiO4+δ(LNO),LaNi0.6Fe0.4O3-δ(LNF)无钴纳米纤维阴极,得到的纳米纤维结构阴极具有高孔隙率和高比表面积的优点,能够在提高气体输送速率的同时增加阴极的三相界面反应位点。性能最好的LNF纳米纤维单相阴极电池700℃下最大功率密度为551 mWcm-2,极化电阻为0.128 Ω·cm2。与传统粉末燃烧法制备的阴极相比,纳米纤维阴极的性能得到显著的提高。第三章中利用化学浸渍法在La2NiO4+δ(LNO)阴极骨架表面沉积LaNi0.6Fe0.4O3-δ(LNF)纳米颗粒,得到具有应用潜力的LNO-LNF复合纳米结构阴极,将其用在BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ(BZCY)基H-SOFC上能够获得优异的电池性能。本章还研究了不同的LNF浸渍量对阴极微观形貌和电化学性能的影响,电化学研究表明,在700℃条件下,31wt%LNF浸渍阴极的单电池具有最低的极化电阻和最高的功率密度,分别为0.027 Ωcm2和969 mWcm-2。可以看出,使用浸渍工艺制备具有纳米结构的复合可有效提高H-SOFC电池的性能。第四章研究了三相(H+/O2-/e-)传导的H-SOFC复合阴极,依然是使用化学浸渍法制备,以质子导体的BZCY作为阴极骨架,浸渍混合氧离子-电子传导的LNF纳米颗粒,将其应用在BZCY基H-SOFC上,可有效提高电池功率,在700℃时其功率达到1082 mWcm-2。除此之外,本实验还在保持阴极组分的情况下互换了骨架和浸渍材料,即用BZCY浸渍LNF骨架,对比研究结果表明,后者的最高电池性能远远不及LNF浸渍BZCY骨架阴极的电池。由此可以看出,选取合适的纳米浸渍对于实验设计也很重要。第五章是对论文全篇内容的总结,并在研究总结的基础上对未来新能源发展形势下H-SOFC工作做出了研究展望。
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