固体氧化物燃料电池La掺杂SrTiO3纳米纤维基复合阳极的研制及其性能影响机制的研究

High performance anodes with good resistance to carbon deposition and tolerance to sulphur, excellent thermal and redox cycling stability are desired for solid oxide fuel cells. Based on our previous research work, the influence mechanisms of the electronic conductivity of La-doped SrTiO3 (LST) nanofiber conductive backbone, the conductivity of the infiltrated phase such as gadolinium doped ceria (GDC) , and the electrode microstructure on the interfacial reaction performance of nanofiber-based LST-GDC composite anodes are studied; high electrochemical reaction active region of electrodes is designed and constructed. The influences of LST-GDC composite anodes with different component composition and microstructure on the cell kinetics are mastered via AC impedance, current interruption, I-V characteristics, and so on electrochemical measurement methods. Anode ohmic resistance is decreased and high electronic conductive layer is built. The composite anodes with different gradient structure are prepared by infiltration of a small amount of nano-sized metallic phase M (M=Fe, Co, Ni, Cu, Ru, etc.) into LST-GDC composite anodes. The influence mechanisms of different gradient structure on electrochemical reaction, fuel catalysis, tolerance to sulphur and carbon deposition of electrodes are investigated. High catalytic activity layer is built. Applicable LST nanofiber-based composite anodes using CH4 or H2S-H2 fuels are developed.

固体氧化物燃料电池需要具有良好的抗碳沉积、耐硫毒化、热循环和氧化还原循环稳定性的高性能阳极。在前期研究的基础上，本课题研究La掺杂SrTiO3（LST）纳米纤维骨架的电子传导性、钆掺杂氧化铈（GDC）等浸渍相的传导性、电极微观结构形貌对纳米纤维基LST-GDC复合阳极界面反应性能的影响机制，构筑电极的高电化学反应活性区。通过交流阻抗、断电流、I-V等电化学测试手段，掌握不同组成、微观结构形貌的LST-GDC复合阳极对单电池动力学性能的影响规律，降低阳极欧姆电阻，实现阳极高电子传输层的构筑。将少量纳米金属M相（M=Fe、Co、Ni、Cu、Ru等）浸渍到LST-GDC复合阳极中，制备成不同梯度结构的复合阳极。研究不同梯度结构对电极的电化学反应、燃料催化、抗积碳性、耐硫毒化等性能的影响机制，实现高催化活性层的构建，研制可在CH4、H2S-H2等燃料中实际应用的LST纳米纤维基复合阳极。

电极作为SOFC的核心部件之一，其性能的优劣直接影响到整个电池的电化学性能、长期稳定性及使用寿命。本项目研究采用静电纺丝法制备了具有纳米纤维结构的LaxSr1-xTO3 (LST，x= 0.2, 0.3, 0.4)粉体材料，确定了静电纺丝的最佳工艺参数，从而获得表面光滑、直径和长度均一的LST纳米纤维粉体材料。基于三相界面原理，本论文对LaxSr1-xTO3骨架的电子传导性及微观形貌和GdyCe1-yO2-δ (GDC，y= 0, 0.1, 0.2, 0.3)浸渍相的离子传导性对阳极性能的影响进行了探究。当La的掺杂量达到0.4时，纯相纳米纤维基LaxSr1-xTO3阳极具有最佳电化学性能。用离子浸渍法将GDC浸渍相浸入纯相LST阳极，LST-GDC复合阳极的电化学性能显著提高，且随着浸渍相的O2-离子传导性的上升，复合阳极的电化学性能随之提高, 最佳Gd的掺杂量为0.2。利用单电池初步分析了电解质欧姆电阻、电极欧姆电阻和电极电化学反应电阻对电池动力学性能的影响，对比研究结果表明，最佳GDC浸渍量的纳米纤维基LST−GDC复合阳极的界面极化电阻、欧姆电阻、电化学反应电阻都明显小于纳米颗粒基LST−GDC复合阳极，纳米纤维LST−GDC复合阳极表现出了的优异电化学性能。基于对阳极骨架和浸渍相的研究，为了提高LST基复合阳极以甲烷为燃料时的电化学性能，通过离子浸渍法制备出纳米纤维基LST-GDC-Ni复合阳极。LST-GDC-Ni复合阳极以潮湿的甲烷为燃料，表现出良好的电化学性能和优异的抗碳沉积性能。三维空间网状结构的LST骨架对快速温度变化和连续氧化还原变化引起的阳极内部体积变化具有良好的缓冲能力，纳米纤维基LST-GDC-Ni复合阳极表现出优异的热循环稳定性和氧化还原循环稳定性。为了提高复合阳极的耐硫毒化性能，通过离子浸渍法制备无Ni组分的纳米纤维基LST-GDC-Co复合阳极，表现出良好电化学性能，具有良好的耐硫毒化性能及优异的抗碳沉积能力。