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)展采用碳氫燃料的中、低溫SOFCs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復合材料為陽極,實現(xiàn)采用碳氫化合物作為燃料、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、關鍵材料、電池堆構型、發(fā)展趨勢以及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.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、微結構和老化以及它們與陽極性能之

2、間的關系;另外,還討論了采用碳氫燃料的SOFCs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.鑒于傳統(tǒng)的機械混合法制備陽極時,經(jīng)常出現(xiàn)NiO和SDC分布不均勻從而造成陽極的不導通現(xiàn)象,在第三章中創(chuàng)新性地采用凝膠輔助的固相反應法一步合成了顆粒尺寸小,且分布均勻的NiO-SDC復合粉體.用這種粉體制備的陶瓷陽極與傳統(tǒng)的機械混合法相比,Ni、SDC和氣孔的分布更加均勻,而且具

3、有較高的電導率.另外,分別用草酸鹽共沉淀法、凝膠輔助的固相反應法和甘氨酸-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粉體燒結體的致密度和電導率的影響.三種方法所制粉體燒結體的相對密度分別為88﹪、95﹪和97﹪,800℃時的電導率分別為0.057 S/cm,0.071 S/cm和0.074 S/cm,十分接近文獻報道的較好值(0.08 S/cm).為了進一步驗證凝膠輔助的固相反應法制備陽極的性能,用本實驗室創(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℃時開路電壓達到0.95 V左右.利用恒電流中斷技術,通過對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﹪,燒結溫度為1350℃.600℃時,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>,處于國際文獻中的先進水平.固體氧化物燃料電池以對多種燃料的高度適應性而著稱,

5、而采用碳氫化合物作為燃料順應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,測得其開路電壓在450℃時為0.96V,十分接近電池的理論電動勢計算值(1.01V).600℃時的最大輸出功率達到334 mW/cm<'2>,是迄今所知國際文獻的最高報道值,實驗驗證了利用生物質(zhì)氣作為SOFCs燃