基于闪烧技术的全纳米结构SOFC的构筑及电化学行为研究

The structure of electrodes in solid oxide fuel cell (SOFC) is of vital importance to its performance. However, the conventional sintering method requires high temperature, and this process will damage the microstructure of electrodes, which restricts the cell performance of SOFC. This subject which is based on the research of the National Natural Science Foundation of China, develops the novel DC flash-sintering technique, and proposes the design of an anode-supported SOFC with nanostructure. Electrodes of nanostructure and electrolyte can be sintered in one step below 800℃ by using DC flash-sintering technique. In this way, electrolyte film can be densified without damaging the nanostructure of electrodes. This subject involves the study of the process of flash-sintering including the parameters of electrical field, current density, dwell time and sintering temperature. By the characterization of cell’s microstructure, the pattern of cell’s structure affected by these parameters can be revealed. Furthermore, the interpretion and a possible mechanism of this sintering process are suggested by applying black body radiation theory and estimating the joule heating effect. An inherent link between the microstructure of electrodes and its electrochemical performance can be set up by structural and electrochemical characterization. This work is of both theoretical and applied significance to design and promotion of high-performance SOFC.

固体氧化物燃料电池（SOFC）的电极结构对电池的输出性能具有重大的影响，而传统的高温烧结方式显著恶化了电极的微观结构，阻碍了电极催化性能的发挥。本课题在青年基金研究工作的基础上，提出了构筑阳极支撑型全纳米结构SOFC的设计思路。采用直流闪烧技术，将纳米电极和电解质的共烧结温度降低到800℃以下，既能实现电解质薄膜的致密化，又保证了电极材料的纳米尺度。本课题通过对不同闪烧工艺下电解质及电极微观结构的考察，研究电压、电流、时间、温度等过程参数对电池微观结构的影响，揭示电池在闪烧过程中的结构演变规律。进一步结合黑体辐射理论，计算直流闪烧过程中的焦耳热效应，解释闪烧过程及提出可能的电解质烧结机理。利用电化学及结构表征手段，建立电极微结构与其电化学性能之间的内在联系，阐明电极微结构对输出性能的影响机制。此项工作为高性能的SOFC的结构设计和实施，推动SOFC的发展具有重要的理论意义及应用价值。

本项目结合全纳米结构固体氧化物燃料电池的设计理念，首先针对目前阴极存在的实际问题，合成出具有纳米结构的新型多孔阴极材料；随后对电解质材料的低温闪烧行为及烧结机理进行研究；最后采用流延技术制备LST-NiO多层梯度阳极支撑的SOFC全电池，并对其电化学性能进行了研究。.本项目采用溶胶凝胶-共沸蒸馏法制备了纳米BSFA0.09阴极材料。通过引入GDC缓冲层，克服了阴极与YSZ电解质之间的化学兼容性差的问题。基于GDC缓冲层，BSFA0.09在750 °C下的极化电阻为0.3009 Ω cm2，单体电池的最大功率密度达1321 mW cm-2。.开发了一种PVP辅助水热合成法用于制备纳米La2NiO4+δ材料。水热合成前驱体在900 °C温度下煅烧10 h就能得到纯相La2NiO4+δ。在750 °C下，极化电阻为0.40 Ω cm2。单电池最大功率密度为834 mW cm-2，并且恒流16 h电池性能无衰减。.采用F127为络合剂的溶胶-凝胶法制备纳米La4Ni3O10阴极材料，在750 ℃时的阴极极化电阻为0.2588 Ω·cm2，单电池在750 ℃时最高功率密度900 mW·cm-2，且在0.825 A·cm-2恒流状态下工作30 h无衰减。.本项目中，将闪烧技术应用于SOFC电解质La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ的致密化中。在炉温690 °C 、120 mA mm-2的电流密度下限流闪烧烧结10 min即可得到致密的LSGM电解质。在800 °C下，电导率可达0.049 S cm-1，与传统方法烧结的LSGM电导率相当。.采用闪烧技术实现了纳米晶YSZ电解质极低温度下的致密化。在炉温690 °C下发生闪烧时，8YSZ样品的相对致密度可达到95.8%，限流闪烧后的8YSZ样品的电导率可达到0.055 S cm-1。在进一步优化炉温和恒温时间的前提下，8YSZ可在565 °C下发生致密化烧结。.为构建全纳米结构电池结构，同时提高SOFC在以碳氢燃料为燃料时的抗积碳性能，本项目设计了多层梯度阳极支撑的SOFC。利用限流闪烧方式对电池进行了烧制。研究表明，经过限流闪烧的SOFC阳极保持纳米多孔结构，电解质YSZ完全致密，且阳极与电解质结合完好。在750 °C下分别以H2和CH4为燃料，电池的功率密度达到750和600 mW cm-2。