管狀固體氧化物燃料電池陽極支撐體的制備與電化學(xué)性能表征.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種新型的發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境污染小、燃料的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今全球能源短缺、能源供應(yīng)形式相對單一以及環(huán)境污染日益嚴(yán)重的形勢下被寄予厚望。隨著SOFC技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其商業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)。面對傳統(tǒng)的SOFC在高溫(1000℃左右)下運(yùn)行所帶來的材料技術(shù)和成本方面的問題，以及氫氣作為SOFC燃料的局限性，研究人員深刻地認(rèn)識(shí)到降低電池的成本和使用碳?xì)浠衔镒鳛槿剂蠈τ诠腆w氧化物燃料電池的

2、商業(yè)化具有重要意義。降低成本可以通過開發(fā)新的電池制備技術(shù)和降低運(yùn)行溫度來實(shí)現(xiàn)。降低電池運(yùn)行溫度就需要提高電解質(zhì)材料的電導(dǎo)率、降低電解質(zhì)厚度和提高電極性能。通過電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、修飾和開發(fā)新型電極材料，進(jìn)而獲得高催化活性和抗積碳的陽極，則是SOFC使用碳?xì)淙剂系谋匾疤帷?鑒于此，本論文的出發(fā)點(diǎn)就是探索SOFC的低成本制備技術(shù)，并且制備出單電池對其顯微結(jié)構(gòu)、輸出性能和長期穩(wěn)定性進(jìn)行研究。另外，采用新技術(shù)制備出的管狀陽極支撐體的孔隙率

3、可以在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，使后續(xù)的表面修飾成為可能。陽極經(jīng)過修飾后的電池在通入氫氣和甲烷時(shí)的穩(wěn)定性測試和抗積炭問題得到進(jìn)一步研究。 論文的第一章簡單介紹了SOFC的操作原理，綜述了SOFC各關(guān)鍵材料，重點(diǎn)討論了SOFC的結(jié)構(gòu)與制備和以碳?xì)淙剂舷嚓P(guān)的陽極材料的最新研究進(jìn)展。在概述了SOFC的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的基礎(chǔ)上，確立了本論文的研究目標(biāo)和研究內(nèi)容。 關(guān)鍵材料的制備和電池制作工藝是SOFC技術(shù)的基礎(chǔ)，對電極、電解質(zhì)以及電池進(jìn)行

4、精確和有效的評(píng)價(jià)可以幫助我們選擇合適的材料和綜合評(píng)估SOFC的性能。因此第二章就本論文探索的制備工藝，燒結(jié)工藝和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹，總的來講分為電池陽極支撐體的制備和單電池的制作。管狀陽極支撐體是采用注凝成型工藝(gel-casting)制備的Ni/YSZ金屬陶瓷。在本論文中，我們利用注凝成型技術(shù)把陶瓷粉末和有機(jī)單體等制成低粘度高固相含量的濃懸浮體，然后在溫度和引發(fā)劑的作用下，使懸浮體中的有機(jī)單體交聯(lián)聚合成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使懸浮體

5、原位固化成型。近乎實(shí)現(xiàn)了凈尺寸成型復(fù)雜形狀的陽極支撐體，并且支撐體的強(qiáng)度足夠，Ni和YSZ兩相以及氣孔分布均勻合理。詳細(xì)研究了石墨作為造孔劑其添加量對支撐體的燒結(jié)收縮率和孔隙率的影響。單電池制作方法為陽極過渡層(dip-coating工藝)-電解質(zhì)(dip-coating工藝)-陰極(涂覆工藝)。燒結(jié)工藝也是電池制備的關(guān)鍵。本論文采用的燒結(jié)工藝為陽極支撐體生坯預(yù)燒1150℃-陽極及過渡層共燒1200℃左右-陽極和電解質(zhì)共燒1350℃。表

6、征方法有交流阻抗譜技術(shù)及激光粒度分布儀、掃描電子顯微技術(shù)(SEM)等。 論文第三章介紹了在以氫氣為燃料氣的情況下，陽極支撐體浸漬SDC對電池輸出性能的影響。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％的石墨使支撐體在還原前孔隙率接近30％，SDC的最佳浸漬量為273 mg/cm3，電池的極化阻抗降低了47％，最大輸出功率密度提高了60％在700℃時(shí)。電池分別在700℃、750℃和800℃進(jìn)行了Ⅰ-Ⅴ和Ⅰ-P測試。電池的開路電壓接近理論電壓，并且浸漬的管

7、狀電池在800℃時(shí)的最大輸出功率密度達(dá)到了550 mW/c㎡。電池在800℃長期運(yùn)行很穩(wěn)定。電池測試過后的電鏡圖片表明電極與電解質(zhì)接觸良好，電解質(zhì)很致密。另外，對浸漬的納米級(jí)SDC顆粒在電池還原和測試過程中的形貌變化進(jìn)行了詳細(xì)討論。 生物質(zhì)能是一種潔凈的可再生能源，它占居了世界總能源的13％。生物質(zhì)氣通過SOFC發(fā)電，能夠提高能源轉(zhuǎn)換效率，并降低污染物排放量，順應(yīng)了世界能源體系的發(fā)展方向。此時(shí)，開發(fā)高活性抗積碳陽極就成為關(guān)鍵技術(shù)

8、問題之一。論文第四章介紹了在以甲烷為燃料氣的情況下，管狀陽極支撐體浸漬SDC后的抗積炭性能。以SDC浸漬8次的電池為研究對象，對電池在直接通入甲烷作為燃料的穩(wěn)定性能進(jìn)行測試和氫氣-甲烷不斷切換下的循環(huán)性能進(jìn)行測試。用SDC修飾的陽極在通入甲烷燃料氣的情況下可以長期穩(wěn)定的運(yùn)行，而沒有修飾的電池在24小時(shí)內(nèi)性能衰減近50％。浸漬的SDC有效地抑制了積炭的發(fā)生。氫氣和甲烷循環(huán)測試表明燃料氣的切換對電池的穩(wěn)定性沒有什么影響，但是在通入相同流量的