固体氧化物燃料电池纳米电极的稳定机制研究

纳米电极可大幅提高中低温固体氧化物燃料电池（SOFC）的输出性能。然而，纳米材料表面积大，表面能高，在SOFC条件下会发生不同程度的团聚以减小表面能，最终影响电极的输出稳定性和寿命。因此，纳米电极的稳定性对SOFC的实际应用至关重要。针对此问题，本项目采用浸渍方法将电极活性成分以纳米形式引入多孔支撑体制成电极，考察多孔通道中纳米颗粒的热稳定性及其对电极微结构、电导率及电化学性能的影响；将电池在不同条件下运行，考察电极中纳米颗粒的结构变化及其对电池长期运行输出性能的影响，阐明纳米颗粒在制备及电池运行阶段的微结构稳定机制。通过本项目研究，可深入理解SOFC纳米电极的稳定机制及其对电池性能的影响规律，提高纳米电极在SOFC中应用的可靠性。

纳米电极的性能受到浸渍的工艺和参数等多重因素的影响，本项目研究了纳米阳极电化学性能和长期稳定性与焙烧温度、造孔剂、分散剂、浸渍量之间的关系。首先重点研究了不同焙烧温度及焙烧时间对浸渍性能的影响，发现浸渍后焙烧超过400 ℃，30 min即可实现硝酸盐分解为氧化物；造孔剂是影响纳米浸渍的一个重要因素，研究发现YSZ与造孔剂质量比低于5：3时，YSZ骨架孔隙率随造孔剂增加显著提升，孔隙率比木薯粉高~10%。NiO浸渍量为19 wt%时，面粉造孔剂制备阳极的电导率是木薯粉样品的9倍，说明面粉作为造孔剂有利于提高浸渍效果，而木薯粉作为造孔剂制备的样品阳极电导率更加稳定；利用尿素辅助浸渍可以改善纳米颗粒在阳极内部的分布，含4 mol/L尿素的浸渍液浸渍效果明显优于含1 mol/L尿素的浸渍液；实验表明纳米量级Ni颗粒浸渍量并不是越多越好，综合考虑电导率和稳定性两个因素，适宜的浸渍量的范围在 21 wt%~27 wt%。采用浸渍法制备的Ni-LSG/LSGM/BSCF单体电池在650℃时，电池的开路电压为1.07V，此时最大功率密度达到875mW∙cm-2，该中温区域的输出性能优异。该电池的电解质膜厚度为50微米左右，若进一步减小电解质厚度，电池的输出功率可进一步提升。.SOFC的工作温度较高，本项目研究了不同的浸渍阳极退火处理对电极中纳米颗粒生长的影响。我们研究退火温度在400 ℃~900 ℃，退火时间在1 h~9 h这个范围内NiO晶粒生长情况，发现在温度较低时，退火温度显著影响NiO晶粒生长；结合不同退火条件下NiO平均粒径，得到NiO晶粒生长活化能，500 ℃~800 ℃温度区间，NiO晶粒活化能Q1=48.75 kJ/mol，主要以晶界迁移进行生长，800 ℃~900 ℃区间，活化能Q2=336.64 kJ/mol。晶体生长动力学分析表明，退火温度400℃时，NiO晶粒在YSZ晶面上的生长过程几乎都是表面扩散过程；随着烧结温度的升高， NiO晶粒在YSZ晶面上的生长过程中既有表面扩散，也有体积扩散，且随烧结温度的升高表面扩散的分量在降低，而体积扩散的分量在增加；当烧结温度升高到700℃时，NiO晶粒生长中表面扩散和体积扩散作用各占一半；烧结温度继续升高到800℃时，体积扩散在NiO烧结中的作用大于表面扩散。另外，不同还原温度也显著影响阳极微结构从而影响其性能。