氧化锆基中温固体氧化物燃料电池阴极材料的开发及其应用

摘要

作为一种新型的发电方式，固体氧化物燃料电池(SOFC)在解决能源危机和环境污染方面表现出了巨大的潜力，特别是在最近几十年得到了很大的发展。阳极支撑型固体氧化物燃料电池(SOFC)是中温(800℃以下)SOFC的主要类型之一，而阴极极化电阻是限制电池中温性能的关键因素。作为一类阴极材料，钙钛矿型氧化物得到了广泛的关注，但是工业化的因素仍然没有成熟化，而且新型材料的研究仍然需要进一步的发展。
　　 本文首先讨论了用EDTA-柠檬酸络合法(ECCP)制备中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)。用ECCP法合成的(Sc2O3)0.1(ZrO2)0.9(ScSZ)电解质具有低堆积密度、表面积大等优点，该电解质适合于在双层共压法中的使用。而通过ECCP法制得的阳极与用传统的球磨制得的阳极相比，颗粒的粒径更小、颗粒之间分布更均匀。在本文中通过用ECCP法制得的粉体成功制备了阳极支撑的以ScSZ为电解质的固体氧化物燃料电池。多孔的阳极和阴极与电解质层都表现出很好的黏附性能。以La0.8Sr0.2MnO3为阴极、NiO+ScSZ为阳极、ScSZ电解质厚约为30μm的电池片在800℃时的最高能量密度可以达到350mW·cm-2。
　　 在经典阴极材料La0.8Sr0.2MnO3(LSM)的基础上，本文开发并研究了新型钙钛矿材料La0.8Sr0.2ScyMn1-yO3-δ(LSSM)作为以氧化锆基电解质为基础的固体氧化物燃料电池(SOFC)的阴极材料。Sc3+掺杂到La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)的B位不但没有改变相结构，还可以增强阴极材料在极化条件下的结构稳定性、提高阴极的性能。在不同Sc3+掺杂量的LSSM系列中，La0.8Sr0.2Sc0.05Mn0.95O3-δ(LSSM0.05)表现出最小的阴极极化电阻和最高的能量密度。在850℃时，以LSSM0.05作为阴极的SOFC在一个恒定的电流400mA·cm-2中稳定半小时以后的阴极极化电阻为0.094Ω·cm2，最高能量密度为1300mW·cm-2，而同样的SOFC用LSM作为阴极时的阴极极化电阻和最高能量密度分别为0.25Ω·cm2和450mW·cm-2。并且LSSM0.05具有较好的电子电导率，因此有可能成为以掺杂的氧化锆为电解质的IT-SOFC的理想阴极材料。
　　 论文的最后对IT-SOFC的便携式应用做了初步的尝试，以经典的镍-电解质作为固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极，在常温常压下通过Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ的催化作用使液态肼实时分解，并将分解产物作为燃料通入电池的阳极。催化实验证明液态肼可以在20℃的低温下分解出流速均匀的NH3和H2，并在60℃时氢的选择性达到10％。用肼的实时分解产物作电池的燃料、钪稳定的氧化锆为电解质、La0.8Sr0.2MnO3为阴极的燃料电池在900℃时的功率密度达到850mW·cm-2。高能量密度、易储存和便于携带的优点使SOFC有成为便携式装置的潜力。