浸漬法制備納米Ni-YSZ陽極的研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)作為一種清潔,高效的燃料電池,其能源利用率可達80％以上,具有很大的發(fā)展?jié)摿?。但?其工作溫度太高(達700℃以上)、電阻太大、當前的技術還不夠成熟,因而還無法得到廣泛的應用,目前仍處于進一步的研究當中?，F階段,國內外的研究人員主要致力于兩方面的研究:一方面是針對SOFC材料的研究,通過開發(fā)新型的電解質材料及電極材料的方法使SOFC能夠在較低的工作溫度下保持高效的輸出性能;另一方面是通過改變制備方法來改善電

2、解質及電極的微結構,從而進一步提升SOFC的輸出性能。
　　本文采用浸漬法制備納米Ni/YSZ,通過改變傳統(tǒng)陽極的微結構的方法來提升SOFC的陽極性能。用這種方法制備的陽極中Ni的粒徑可減小到幾十納米,極大的拓展了TPB的區(qū)域。但是,其粒徑的減小會使總表面能增加,極大的影響了陽極的穩(wěn)定性。為了使陽極性能達到最佳,就必須在不同的制備參數下對陽極的初始性能及其穩(wěn)定性進行研究,并分析其內在原因,最終實現納米陽極的可控制備的目的。

3、　　為了研究浸漬法得到的Ni/YSZ陽極性能與NiO浸漬量的關系,本文通過多次浸漬的辦法得到不同NiO含量的Ni/YSZ陽極,并分別測試其電導率。測試結果表明,當NiO的浸漬量從5vol%增加到6vol%時,陽極剛好能夠電子導通;陽極電導率性能最好的NiO浸漬量范圍在10vol%-15vol%之間。通對Ni/YSZ陽極的SEM觀察發(fā)現,浸漬量為8vol%的陽極中NiO顆粒未把YSZ骨架覆蓋完全,還原后的Ni的連通性較差;浸漬量為12.5

4、vol%和15vol%的陽極NiO顆粒均已覆蓋YSZ表面,還原后前者的Ni顆粒較均勻的附著于YSZ表面,而后者的Ni顆粒燒結現象很嚴重。對不同NiO含量的單電池的電化學性能測試表明,在800℃下,浸漬量為10vol%,12.5vol%,15vol%的單電池最大功率密度分別為95mW?cm-2,278mW?cm-2和283mW?cm-2。在800℃恒溫條件下經3.5h后再次測試其輸出性能發(fā)現,隨NiO浸漬量的提升,穩(wěn)定性越來越差,綜合以上

5、因素,NiO的浸漬量在12.5vol%時,陽極達到最優(yōu)的綜合性能。
　　論文研究了燒結溫度在400-800℃之間,燒結時間在1-10h范圍內的NiO晶粒的生長情況。溫度較低時,燒結溫度是影響NiO晶粒生長的決定性因素;隨著燒結溫度的增大,保溫時間對NiO生長的影響越來越顯著。結合晶粒生長的速率方程,得出NiO晶粒在多孔的YSZ骨架表面生長的活化能,并研究了燒結的微觀過程。通過測試不同預燒溫度和預燒時間下的陽極電導弛豫,發(fā)現NiO/

6、YSZ陽極前驅體在700℃的預燒溫度下保溫時間設為1h時其初始電導率為307.6S/cm,恒溫測試10h后,其電導率衰減到101.1S/cm,相比其他制備條件其陽極電性能最好。
　　本文還分析了木薯粉和面粉作為造孔劑對浸漬法制備陽極的影響。研究發(fā)現,木薯粉作為造孔劑制備的孔結構有利于NiO在YSZ晶面上的附著及生長,但它在浸漬過程中的滲透性不好,而面粉作為造孔劑的孔結構雖有利于溶液浸漬和氣體擴散,但它不利于NiO在YSZ表面的附著