陽極負載中溫固體氧化物燃料電池關(guān)鍵材料的研究及單電池數(shù)值模擬.pdf

1、在當(dāng)前石油、天然氣、煤等化石燃料緊張，電力供應(yīng)不足，城市污染嚴重的情況下，燃料電池已逐漸成為全球能源領(lǐng)域研發(fā)的重點和熱點。其中，中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)，是目前被世界上公認為最有發(fā)展前景的燃料電池發(fā)電技術(shù)之一。陽極負載構(gòu)型是平板式固體氧化物燃料電池實現(xiàn)中溫化最理想的結(jié)構(gòu)形式，因此本文針對陽極負載中溫固體氧化物燃料電池的關(guān)鍵材料開展研究。 復(fù)合摻雜氧化物納米粉體的制備是燃料電池研制工藝中的首要問題。本文分別采用三種

2、不同的方法制備了電解質(zhì)超細粉體Sm<,0.15>Gd<,0.05>Ce<,0.8>O<,1.9>，考察了焙燒溫度、合成工藝、絡(luò)合劑種類及金屬離子摩爾數(shù)對SGDC納米粉體性能的影響，測試和研究了其燒結(jié)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用GNP法制備的SGDC納米粉體在相同煅燒溫度、相同金屬離子摩爾比情況下與pechini法制備的微粒相比，晶粒粒度小、顆粒形狀規(guī)則、分散性較好；在兩種濕化學(xué)合成方法中，隨著絡(luò)合劑與總金屬離子摩爾數(shù)比值的提高，樣品粒徑不斷增大

3、，晶粒形狀由紡錘體向球體過渡。pechini法和GNP法制備的粉料在1400℃其致密度即可達到98％，相比之下固相反應(yīng)法合成的SGDC要到1600℃時才能達到96％；對于Pechini法和GNP法，當(dāng)總金屬離子摩爾濃度降低時，SGDC燒結(jié)體的相對密度增大，孔隙率降低，樣品的燒結(jié)活性有所增加。 以一定的制備工藝制成了La<,0.6>Sr<,0.4>Co<,0.2>Fe<,0.8>O<,3>(LSCF)陰極和NiO/GDC陽極基片，

4、對制備的IT-SOFC陰極和陽極基片的成相情況、微結(jié)構(gòu)和燒結(jié)性能等進行了考察，分析了各影響因素與電極性能之間的內(nèi)在關(guān)系。發(fā)現(xiàn)起始粉體大小對LSCF的結(jié)晶狀況有重要影響；陰極LSCF的催化活性和電性能隨燒結(jié)溫度的升高而降低；1000℃是LSCF較為適宜的電極燒結(jié)溫度；內(nèi)摻加NiO的NiO/GDC陽極，總體結(jié)晶度和成相情況不如外加NiO制備的陽極；NiO/GDC陽極基板的燒結(jié)收縮率隨NiO含量的升高而增加，隨著燒結(jié)溫度的提升，陽極素坯的燒結(jié)

5、收縮率呈非均勻性增加；在相同的燒結(jié)溫度下，還原之前，隨NiO含量的增加，NiO/GDC陽極基板孔隙率明顯下降。造孔劑質(zhì)量分數(shù)為5％或10％的NiO/GDC陽極基板能滿足SOFC關(guān)于孔隙率的要求，淀粉的添加量以陽極總質(zhì)量的5％為最佳；有效減輕燒結(jié)前前驅(qū)粉的團聚有助于NiO/GDC陽極的晶化和晶粒的完全生長。 通過絲網(wǎng)印刷和勻膠涂膜兩種不同薄膜制備方法，在陽極基片上成功涂覆Gd<,0.2>Ce<,0.8>O<,1.9>， Sm<,0

6、.2>Ce<,0.8>O<,1.9>，Sm<,0.15>Gd<,0.05>Ce<,0.8>O<,1.9>電解質(zhì)薄膜?？疾炝瞬煌∧ぶ苽浞椒?、不同分散方式、不同粒度大小及粒徑分布、不同燒結(jié)方式等因素對電解質(zhì)性能的影響。實驗結(jié)果表明，勻膠涂膜法制備的電解質(zhì)樣品與絲網(wǎng)印刷法相比，其燒結(jié)致密化溫度可降低200℃左右；球磨對燒結(jié)致密化溫度有著重要的影響作用，其它條件相同的情況下，濕磨的效果不如干磨；采用三明治式燒結(jié)裝置進行燒結(jié)可有效防止極片燒結(jié)過

7、程中的起翹和開裂；三種摻雜氧化鈰基電解質(zhì)中，GDC電解質(zhì)薄膜的燒結(jié)驅(qū)動力最大，成膜質(zhì)量好，燒結(jié)后的表面形貌明顯優(yōu)于SGDC和SDC；采用GDC作為電解質(zhì)工作時，當(dāng)溫度超過1300℃，GDC會與YSZ發(fā)生相互反應(yīng)，在界面處生成Gd<,2>Zr<,2>O<,7>新相；在電解質(zhì)燒結(jié)過程中，團聚嚴重抑制了SGDC的致密化；在同樣燒結(jié)溫度下，團聚體系數(shù)較低的起始粉體顯示出更高的燒結(jié)致密度。采用更為有效的高剪切乳化分散后，SGDC的燒結(jié)致密化溫度可

8、降低至1300℃。 發(fā)展了用于研究陽極負載中溫固體氧化物燃料電池的三維數(shù)學(xué)模型，計算了燃料與氧化劑氣體速度矢量分布，濃度分布、各流場的壓力分布及電極催化層的電流密度分布等電池特性。將實驗制備的IT-SOFC各組元材料性能代入建立的數(shù)學(xué)模型中進行了計算。分析了工作壓力、溫度、燃料濃度、氧化劑組成、孔隙率、曲折因子等因素對電池性能的影響。將模型計算所得的電池性能與文獻中報導(dǎo)的同種材料、同種電池構(gòu)型的IT-SOFC實驗數(shù)據(jù)進行了比較，