固體氧化物燃料電池銅基陽極的性能研究.pdf

1、國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：TM911.4國(guó)際圖書分類號(hào)：541.136理學(xué)碩士學(xué)位論文固體氧化物燃料電池銅基陽極的性能研究碩士研究生：李文淵導(dǎo)師：呂喆教授申請(qǐng)學(xué)位：理學(xué)碩士學(xué)科、專業(yè)：凝聚態(tài)物理所在單位：物理系答辯日期：2010年7月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文I摘要固體氧化物燃料電池(SOFC)能高效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。目前發(fā)展最成熟的NiYSZ陽極使用烴類燃料的主要問題是Ni對(duì)碳沉積的催化作用破壞了電池的性能。

2、Cu基陽極因?qū)Ψe碳無催化效果，被作為替換方案提出。本文采用浸漬法在多孔YSZ骨架中制備了CuYSZ陽極，研究了有機(jī)物造孔法和酸洗除Ni造孔法制備致密YSZ多孔YSZ陽極基體，發(fā)現(xiàn)后者制備的陽極基體有70%的孔隙率和足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能更好地滿足浸漬的要求。浸漬得到的Cu在陽極中分布比較均勻，但仍有一定的團(tuán)聚現(xiàn)象。陽極電導(dǎo)率隨浸漬量急劇增大，例如，Cu含量為4vol.%時(shí)CuYSZ陽極的電導(dǎo)率為1Scm1，而含量增大為21vol.%時(shí)電導(dǎo)率

3、上升為4800Scm1。通過微觀形貌和有效導(dǎo)通比c的研究發(fā)現(xiàn)，浸漬得到的Cu在陽極內(nèi)部并不一定為連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，且高溫時(shí)Cu的燒結(jié)會(huì)降低陽極電導(dǎo)率。研究了Cu含量對(duì)電池性能的影響，結(jié)果顯示增加Cu含量可以提高陽極電導(dǎo)率和三相反應(yīng)區(qū)密度，進(jìn)而提高電池性能，但過量浸漬對(duì)性能并沒有幫助。長(zhǎng)期運(yùn)行后，電池獲得穩(wěn)定的輸出功率，700℃氫氣條件下的最大輸出功率(MPD)為200mWcm2。為改善CuYSZ陽極，引入CeO2作催化劑。阻抗譜分析表明加入

4、CeO2后陽極極化電阻減小為原來的30%，輸出功率提高了150%。EDX測(cè)試和陽極電導(dǎo)特性研究發(fā)現(xiàn)，CeO2除作催化劑外，實(shí)際還起到了隔離CuO的分散劑作用。它提高了陽極電導(dǎo)率以及電導(dǎo)率的燒結(jié)穩(wěn)定性。通過對(duì)浸漬總量的研究發(fā)現(xiàn)，最佳浸漬量由TPB密度的增加和孔隙率的減少之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系決定。改變CeO2在浸漬物中所占比例，CeO2含量較高的陽極性能有明顯優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過綜合優(yōu)化，以CuCeO2YSZ為陽極的電池在700℃，氫氣中的MPD為336m

5、Wcm2，性能先進(jìn)。為改進(jìn)陽極的微觀結(jié)構(gòu)，往浸漬溶液中加入尿素。借助尿素的熱解反應(yīng)改變浸漬物的形成方式，使得熱處理后得到Cu(OH)2和Ce(OH)3沉淀而不是析出Cu(NO3)2和Ce(NO)3晶體。它解決了硝酸鹽結(jié)晶團(tuán)聚的問題，以這種方式得到的Cu和CeO2更均勻地分布在陽極。加尿素浸漬的CuCeO2YSZ復(fù)合陽極電池性能比不加尿素的提高了37%。電池使用甲烷燃料時(shí)的輸出性能比使用氫氣時(shí)低，700和750℃的MPD分別為140和18