固體氧化物燃料電池鎳基陽極改性及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)由于自身眾多優(yōu)點而正成為燃料電池的主流方向。然而,在走向?qū)嵱没M程中,還有若干問題需要解決。首先,盡管SOFC與其他類型的燃料電池相比,具有燃料適應性強、Ni基陽極催化性能優(yōu)異等優(yōu)點,但廉價易得的碳氫化合物燃料易使SOFC發(fā)生碳沉積和硫毒化。Ni基陽極抗積碳、耐硫毒化能力差,這直接限制了其在直接碳氫燃料電池中的應用。這個問題雖經(jīng)長期研究但一直沒得到很好的解決。其次,目前 SOFC的燃料仍以氫氣為主,而氫氣無

2、論是存儲還是運輸都存在很大困難。對于商業(yè)化中小型、便攜式的分散電源,應首選液體燃料或易液化的燃料以便運輸和存儲。針對以上問題,本論文開展了 SOFC新型陽極的制備和改性研究,主要進行了陽極的耐硫抗積碳性能及以液氨為燃料的 SOFC陽極材料的探索,同時對新結(jié)構(gòu)的對稱電池電極材料及電池性能作了初步的研究。
　　研究了 BaO對傳統(tǒng) Ni-YSZ基陽極 SOFC耐硫性能的影響:以 Ni/YSZ為SOFC的陽極材料,YSZ為電解質(zhì),通過流

3、延法制備陽極支撐電池,采用浸漬法把BaO引入到Ni/YSZ陽極上。利用甘氨酸瞬間火焰燃燒使BaO粒子達到納米尺度。使用含不同濃度H2S的濕氫氣為燃料考察BaO對傳統(tǒng)Ni基SOFC耐硫性能的影響。EDS結(jié)果表明電池陽極中BaO的含量約為5％。電池恒流放電測試表明當燃料從氫氣切換到濃度為50ppmH2S的濕氫氣時,電池功率密度沒有明顯變化,即沒有觀察到傳統(tǒng)Ni基陽極在通入硫化氫后的明顯電壓降。濕氫氣中H2S濃度從5逐漸變化到50ppm時,電

4、池放電性能保持了良好的穩(wěn)定性。在800oC時功率密度可達963mW·cm-2。EDS和 XPS結(jié)果顯示在硫毒化測試后沒有硫污染電池陽極。實驗結(jié)果表明:BaO/Ni界面不僅具有優(yōu)良的抗積碳性能同時也具有良好的耐硫毒化能力。
　　進行了稀土雙摻雜Ni基CeO2陽極的抗積碳耐硫毒化能力的研究:采用Y和Yb對CeO2進行雙摻雜來研究稀土協(xié)同作用對材料耐硫抗積碳性能的影響。采用甘氨酸燃燒法制備超細Ce0.8YxYb0.2-xO1.9(x=0

5、,0.1,0.2)、GDC(Ce0.9Gd0.1O1.95)粉體,對材料進行 XRD、EDS、SEM、電導率和熱性能測試。制備了 GDC電解質(zhì)支撐,Ni-Ce0.8Y0.1Yb0.1O1.9、Ni-Ce0.8Y0.2O1.9、Ni-Ce0.8Yb0.2O1.9分別為陽極、Ce0.9Gd0.1O1.95+La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(GDC+LSCF)為陰極的全電池。電化學測試表明:Ni-Ce0.8Y0.1Yb0.1O

6、1.9在750oC以干甲烷為燃料時,以200mA·cm-2恒流放電120小時功率輸出無衰減,而傳統(tǒng)的 Ni-YSZ陽極以甲烷為燃料時出現(xiàn)了嚴重的積碳現(xiàn)象。此陽極在700oC以下,H2S濃度為5ppm和20ppm時,性能衰減分別為5%和12%,當燃料氣切換回純 H2后,電池性能完全恢復。SEM和EDS結(jié)果表明:測試后Ni-Ce0.8Y0.1Yb0.1O1.9陽極無碳沉積也未檢出硫及硫化物。表明對于直接碳氫燃料電池,稀土共摻雜 CeO2/N

7、i陽極是一種很有吸引力的陽極材料。
　　研究以氨為燃料的 SOFC陽極的制備與電化學性能:本章采用電導率較高的SSZ做電解質(zhì),流延法制備Ni-YSZ|Ni-SSZ|SSZ半電池,采用浸漬法向Ni/SSZ功能層中引入Fe制備了電池Fe-Ni-YSZ|Fe-Ni-SSZ|SSZ|LSM-SSZ并進行了電化學性能測試。同時用同種方法制備未摻鐵的SOFC電池。測試結(jié)果表明:Fe的引入可以提高電池的性能。使用氨氣作為燃料時竟獲得了比純氫氣為

8、燃料時更高的功率密度。考慮到電解質(zhì)可以做得更薄及Fe/Ni對氨的良好催化活性,Fe/Ni基陽極將是很好的氨燃料電池陽極材料。
　　對新型 SOFC對稱電池電極材料及電池性能進行了初步探索:本章采用摻雜的CeO2-LaFeO3作為對稱電池的陰陽極,Sc0.1Zr0.9O1.95(SSZ)作為電解質(zhì)構(gòu)建對稱電池,摻雜的 CeO2-LaFeO3作為對稱電池電極的結(jié)構(gòu)可行性和電化學性能得到了詳細的評估和驗證。結(jié)果證明:在長時間放電測試后發(fā)