中溫固體氧化物燃料電池陽極材料及電池性能研究.pdf

1、本論文以發(fā)展采用碳?xì)淙剂系闹小⒌蜏豐OFCs為背景,主要致力于以釤摻雜的氧化鈰(SDC)為電解質(zhì),金屬-SDC復(fù)合材料為陽極,實(shí)現(xiàn)采用碳?xì)浠衔镒鳛槿剂?、無碳沉積的SOFCs及基于此的陽極極化特性和電池性能研究.第一章概述了SOFCs的工作原理、關(guān)鍵材料、電池堆構(gòu)型、發(fā)展趨勢(shì)以及SOFCs致密電解質(zhì)薄膜的制備方法等,確定了本論文的研究目標(biāo).第二章系統(tǒng)分析討論了作為陽極材料必須具備的條件,闡述了陽極的組成、微結(jié)構(gòu)和老化以及它們與陽極性能之

2、間的關(guān)系;另外,還討論了采用碳?xì)淙剂系腟OFCs陽極材料體系、陽極的極化、催化活性、積碳、硫中毒問題以及它們的影響因素,為隨后陽極材料及電池性能的研究奠定了基礎(chǔ).鑒于傳統(tǒng)的機(jī)械混合法制備陽極時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)NiO和SDC分布不均勻從而造成陽極的不導(dǎo)通現(xiàn)象,在第三章中創(chuàng)新性地采用凝膠輔助的固相反應(yīng)法一步合成了顆粒尺寸小,且分布均勻的NiO-SDC復(fù)合粉體.用這種粉體制備的陶瓷陽極與傳統(tǒng)的機(jī)械混合法相比,Ni、SDC和氣孔的分布更加均勻,而且具

3、有較高的電導(dǎo)率.另外,分別用草酸鹽共沉淀法、凝膠輔助的固相反應(yīng)法和甘氨酸-硝酸鹽(GNP)法制備了SDC電解質(zhì)粉體,并研究了不同制備方法對(duì)粉體燒結(jié)體的致密度和電導(dǎo)率的影響.三種方法所制粉體燒結(jié)體的相對(duì)密度分別為88﹪、95﹪和97﹪,800℃時(shí)的電導(dǎo)率分別為0.057 S/cm,0.071 S/cm和0.074 S/cm,十分接近文獻(xiàn)報(bào)道的較好值(0.08 S/cm).為了進(jìn)一步驗(yàn)證凝膠輔助的固相反應(yīng)法制備陽極的性能,用本實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新發(fā)展

4、的共壓-共燒工藝,制備了電解質(zhì)SDC厚度約為35μm的薄膜型SOFCs單電池,電解質(zhì)層比較致密,450℃時(shí)開路電壓達(dá)到0.95 V左右.利用恒電流中斷技術(shù),通過對(duì)陽極極化過電位的研究優(yōu)化陽極的組成為鎳體積含量為50﹪,燒結(jié)溫度為1350℃.600℃時(shí),氫氣氣氛下電池的最大輸出功率為491 mW/cm<'2>,甲烷氣氛下的最大輸出功率為352 mW/cm<'2>,處于國際文獻(xiàn)中的先進(jìn)水平.固體氧化物燃料電池以對(duì)多種燃料的高度適應(yīng)性而著稱,

5、而采用碳?xì)浠衔镒鳛槿剂享槕?yīng)了世界能源體系的發(fā)展方向.本論文工作(第五章)首次嘗試采用生物質(zhì)氣(組成為14.7﹪CO,14.2﹪CO<,2>,15.3﹪H<,2>,4.2﹪CH<,4>,和51﹪N<,2>)作為SOFCs的燃料,測(cè)得其開路電壓在450℃時(shí)為0.96V,十分接近電池的理論電動(dòng)勢(shì)計(jì)算值(1.01V).600℃時(shí)的最大輸出功率達(dá)到334 mW/cm<'2>,是迄今所知國際文獻(xiàn)的最高報(bào)道值,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用生物質(zhì)氣作為SOFCs燃