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)性強等優(yōu)點，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)化進程不斷推進。面對傳統(tǒng)的SOFC在高溫(1000℃左右)下運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，研究人員深刻地認識到降低電池的成本和使用碳氫化合物作為燃料對于固體氧化物燃料電池的

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)和降低運行溫度來實現(xiàn)。降低電池運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，進而獲得高催化活性和抗積碳的陽極，則是SOFC使用碳氫燃料的必要前提。 鑒于此，本論文的出發(fā)點就是探索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的穩(wěn)定性測試和抗積炭問題得到進一步研究。 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，重點討論了SOFC的結(jié)構(gòu)與制備和以碳氫燃料相關(guān)的陽極材料的最新研究進展。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)以及電池進行

4、精確和有效的評價可以幫助我們選擇合適的材料和綜合評估SOFC的性能。因此第二章就本論文探索的制備工藝，燒結(jié)工藝和評價方法進行詳細的介紹，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，并且支撐體的強度足夠，Ni和YSZ兩相以及氣孔分布均勻合理。詳細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)量分數(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。電池分別在700℃、750℃和800℃進行了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℃時的最大輸出功率密度達到了550 mW/c㎡。電池在800℃長期運行很穩(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SDC顆粒在電池還原和測試過程中的形貌變化進行了詳細討論。 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，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)定性能進行測試和氫氣-甲烷不斷切換下的循環(huán)性能進行測試。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)定的運行，而沒有修飾的電池在24小時內(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