基于雙層陶瓷中空纖維的微管式固體氧化物燃料電池制備、性能及微結構.pdf

1、微管式固體氧化物燃料電池(MT-SOFC)因其傳質(zhì)傳熱面積大，體積功率密度高，升降溫速率快等優(yōu)點，受到了人們的廣泛關注。本文利用基于相轉化法的共紡絲-共燒結技術一步制備出雙層中空纖維膜，以此構造MT-SOFC，并對其性能進行系統(tǒng)研究，以期簡化制備工藝，提高輸出性能。
　　首先，以Y2O3穩(wěn)定的ZrO2(YSZ)為電解質(zhì)，La0.8Sr0.2MnO3-α(LSM)為陰極，通過共紡絲-共燒結法制備了外層致密內(nèi)層多孔的不對稱電解質(zhì)/陰極

2、(YSZ/LSM-YSZ20(wt％))雙層中空纖維膜。電解質(zhì)層和陰極層彼此結合完好，界面處無元素擴散。雙層中空纖維膜的機械強度和電解質(zhì)膜的致密性均隨著燒結溫度的增加而增加，而有效孔隙率卻呈減小趨勢。通過浸漬-提拉法在雙層中空纖維膜外側制備了約5μm厚陽極NiO-YSZ，形成陰極支撐的微管SOFC。1350和1400℃燒結的雙層中空纖維膜制備的H2/AIR陰極支撐微管SOFC最大輸出功率密度分別為290和283mW·cm-2(850℃)

3、，此過程主要受極化阻抗控制。
　　為降低電極極化，采用共紡絲-共燒結法制備了內(nèi)層多孔和外層微孔的不對稱LSM-YSZ40/LSM雙層陰極中空纖維膜，由浸漬-提拉法涂覆電解質(zhì)膜，1350℃共燒結形成YSZ/LSM-YSZ40/LSM三層微管。涂覆陽極NiO-YSZ后形成具有陰極功能層的雙層陰極中空纖維膜微管SOFC；850℃時，最大輸出功率密度為475mW·cm-2。陰極功能層的加入明顯降低了陰極的極化阻抗。
　　其次，通過共

4、紡絲-共燒結法成功制備出雙層電解質(zhì)/陽極(YSZ/NiO-YSZ)中空纖維陶瓷膜。在1450℃燒結后的YSZ/NiO-YSZ雙層中空纖維膜外浸漬涂覆LSM-YSZ20陰極,經(jīng)1200℃燒結后形成陽極支撐MT-SOFC，分別通過電解質(zhì)擠出速率和陽極微結構的調(diào)整來提高MT-SOFC輸出性能。當電解質(zhì)鑄膜液擠出速率為0.5,1,1.5,2mL/min時，電解質(zhì)層厚度分別為6,13,18,28μm。YSZ厚度為28μm的MT-SOFC,800℃

5、時最大開路電壓為1.01V,最大輸出功率是75mW·cm-2。而YSZ厚度為6μm的MT-SOFC,開路電壓為0.92V,最大輸出功率提高至329mW·cm-2。此外，通過在陽極鑄膜液中加入非溶劑乙醇來調(diào)節(jié)YSZ/NiO-YSZ雙層中空纖維膜微結構。隨著陽極鑄膜液中非溶劑乙醇含量的增加(從0到15，20，25wt%)，雙層中空纖維膜由內(nèi)到外海綿層厚度增加，指狀孔變短；孔隙率從68%降低到32%，機械強度增加，電解質(zhì)膜致密性增加，電導率增

6、加；添加量為20wt%的H2/AIR MT-SOFC輸出性能最好，最大功率密度約485mW cm-2(850℃)。
　　最后，利用共紡絲-共燒結法制備了具有外層微孔、內(nèi)層多孔的NiO-YSZ/p-YSZ雙層中空纖維，利用浸漬-提拉法在未預燒的雙層Ni-YSZ/p-YSZ中空纖維膜表面依次制備30μm的電解質(zhì)膜和5μm多孔陰極，并在膜內(nèi)多孔層浸漬Cu-CeO2催化劑，構筑雙層陽極(Ni-YSZ/Cu-CeO2-YSZ)支撐抗積炭微管

7、SOFC。制備的雙層陽極支撐微管SOFC以甲烷為燃料時輸出性能高于以氫氣為燃料的輸出性能，可連續(xù)穩(wěn)定運行30h，無積碳發(fā)生。雙層中空纖維陽極中陽極功能層(Ni-YSZ)厚度可通過擠出速率來控制。當擠出速率為4,2和1mL·min-1時，對應的陽極功能層厚度分別為74,25和13μm。具有較薄陽極功能層的微管SOFC具有較高的功率密度，850℃時最大的輸出功率可高達566mW·cm-2。同時具有較薄陽極功能層的微管SOFC擁有良好的抗積碳