單氣室固體氧化物燃料電池性能的研究.pdf

1、單氣室固體氧化物燃料電池（SC-SOFC）是一種新型結(jié)構(gòu)燃料電池，它可以理解為僅僅具有一個(gè)氣室(即：單氣室)的燃料電池。而在任何一種傳統(tǒng)的燃料電池中，氧氣和燃料通常被致密的電解質(zhì)隔離開來，電池有兩個(gè)氣室。SC-SOFC的運(yùn)行取決于處于相同的燃料和空氣混合氣氛中的陽極和陰極的選擇催化性，即要求陰極對(duì)O2的催化活性高而對(duì)燃料則是相對(duì)惰性的，要求陽極對(duì)燃料催化活性高而對(duì)氧氣相對(duì)惰性。電池的電勢(shì)差是由陽極和陰極對(duì)混合氣氛的選擇催化性的差異而產(chǎn)生

2、的。目前關(guān)于SC-SOFC中電極和電解質(zhì)材料的選擇、工作條件以及電池結(jié)構(gòu)等逐漸成為研究熱點(diǎn)。
　　SC-SOFC具有如下優(yōu)點(diǎn)：陰陽極之間無需密封；可以避免復(fù)雜的流場設(shè)計(jì)；不拘泥于傳統(tǒng)電池的平板和管式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)上更加靈活；電解質(zhì)可以不是完全氣密的，多孔材料也可以使用；可以比較容易地實(shí)現(xiàn)小規(guī)模的電池組設(shè)計(jì)。本文工作主要包括對(duì)SC-SOFC單電池的性能進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究，并且對(duì)SC-SOFC電池組也進(jìn)行了初步的嘗試和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，為以后工

3、作打下了基礎(chǔ)。
　　研究了單氣室中電解質(zhì)支撐型SOFC單電池的性能及單氣室的測(cè)試條件，并且對(duì)陽極支撐型SC-SOFC單電池的性能也進(jìn)行了初步的研究。研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行單氣室實(shí)驗(yàn)之前首先要將陽極徹底還原；對(duì)于電解質(zhì)支撐的電池，有必要將陽極做得厚些；陽極支撐型SC-SOFC的阻抗較電解質(zhì)支撐的電池小很多，并且電池性能也較好，這充分體現(xiàn)了陽極支撐型電池的優(yōu)勢(shì)。
　　研究了陽極支撐型SC-SOFC的電極性能，主要包括陽極微觀結(jié)構(gòu)、陽極

4、還原時(shí)間、陽極還原后SOFC的保護(hù)溫度以及陰極性能優(yōu)化等。研究發(fā)現(xiàn)，摻造孔劑的陽極不但孔隙數(shù)目多，而且夠深夠大，多孔的結(jié)構(gòu)保證了氣體的運(yùn)輸，更適合作為電極材料；在測(cè)試前至少需要對(duì)原電池的陽極在700℃還原45min；對(duì)于陽極還原后的電池的烘烤溫度，一定不要超過287℃；用按照Sm0.2Ce0.8O1.9（SDC）計(jì)量比配制的Sm(NO3)3和Ce(NO3)3混合溶液對(duì)電池的陰極進(jìn)行浸漬后，電池的性能能夠得到明顯的改善。
　　我們重

5、點(diǎn)對(duì)不同制膜方法的陽極支撐型SC-SOFC單電池進(jìn)行了研究，致力于探討具有選擇性的電極是如何工作的，如何提高SC-SOFC的性能，討論了溫度、氣流、氣體組分以及幾何結(jié)構(gòu)對(duì)電池開路電壓(OCV)和功率密度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，稀釋氣體對(duì)電池的性能也會(huì)造成一定程度的影響。在旋涂法制膜電池中，我們采用漿料旋涂法制備了Ni-YSZ陽極支撐型SC-SOFC，YSZ電解質(zhì)薄膜厚度為8μm。使用CH4作為燃料的單電池測(cè)試表明其具有很好的輸出性能。700℃

6、時(shí)開路電壓達(dá)到1V，接近理論電壓值，最大功率密度達(dá)到398mW.cm-2。阻抗分析表明，歐姆電阻遠(yuǎn)小于電極極化電阻。700℃以上時(shí)，由于陰極開始對(duì)CH4表現(xiàn)出一定的催化活性造成電池開路電壓和輸出功率的下降。電池的燃料利用率較低，通過尋找具有良好選擇催化活性的電極材料和進(jìn)一步優(yōu)化工作條件可以進(jìn)一步提高電池性能。
　　對(duì)陽極支撐型SC-SOFC電池組進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，研究內(nèi)容主要包括：爐溫、CH4:O2比例以及稀釋氣體對(duì)電池組以及其中單