雙孔道陽(yáng)極支撐SOFC的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell,SOFC)作為一種新型清潔能源技術(shù),近年已被廣泛研究。SOFC具有轉(zhuǎn)化效率高、燃料適用性廣和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),小型化是其重要的發(fā)展趨勢(shì),微管式 SOFC的研制是其熱點(diǎn)之一。微管式SOFC支撐陽(yáng)極管的制備主要包括塑性擠出法和相轉(zhuǎn)化法。與傳統(tǒng)擠出技術(shù)相比,相轉(zhuǎn)化技術(shù)具有成本低、結(jié)構(gòu)可控和無(wú)造孔劑添加等優(yōu)點(diǎn)。目前,梯度陽(yáng)極是支撐型 SOFC采用的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)梯度陽(yáng)極的制備步驟復(fù)雜且所

2、制備孔道是不連續(xù)的,相轉(zhuǎn)化法制備的陽(yáng)極具有不對(duì)稱(chēng)孔道形貌,是一種理想的SOFC梯度陽(yáng)極結(jié)構(gòu)。
　　本論文通過(guò)相轉(zhuǎn)化法構(gòu)筑了具有雙孔道(海綿狀孔和指型狀孔)結(jié)構(gòu)的SOFC平板式陽(yáng)極和微管式陽(yáng)極。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)對(duì)陽(yáng)極的微觀形貌進(jìn)行表征,研究制備條件對(duì)陽(yáng)極微觀結(jié)構(gòu)的影響,優(yōu)化出最佳的制備工藝。通過(guò)測(cè)試單電池放電性能對(duì)陽(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng)活性進(jìn)行表征,考察陽(yáng)極微觀形貌與電池性能間的關(guān)系,并采用電化學(xué)阻抗譜(EIS)方法對(duì)陽(yáng)極

3、結(jié)構(gòu)影響機(jī)理和負(fù)載條件下陰極氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行探討。
　　采用相轉(zhuǎn)化法一步制備了具有雙孔道結(jié)構(gòu)的平板陽(yáng)極。考察了鑄膜液組成和凝固浴深度對(duì)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)及電池性能的影響。隨著鑄膜液固含量的增加,陽(yáng)極海綿孔道層的孔徑及孔隙率降低;隨著NiO含量增加,陽(yáng)極海綿孔道層的孔徑及孔隙率增加,并且出現(xiàn)Ni團(tuán)聚現(xiàn)象;隨著凝固浴深度的增加,雙孔道陽(yáng)極海綿孔道層厚度減小,氣體透過(guò)率增加。當(dāng)NiO-YSZ與PESf的質(zhì)量比為10:1、NiO含量為50％,凝

4、固浴深度為10.5cm時(shí),所制備陽(yáng)極的海綿孔道層厚度最薄(45μm),800℃電池的最大功率密度值為1.15W·cm-2。通過(guò)EIS解析,雙孔道陽(yáng)極結(jié)構(gòu)顯著降低了由擴(kuò)散過(guò)程控制的低頻區(qū)阻抗。制備了雙孔道陽(yáng)極支撐ScSZ電解質(zhì)平板式SOFC,通過(guò)造孔劑的添加,提高了支撐陽(yáng)極的氣體透過(guò)率,并考察了海綿孔道層和指型孔道層對(duì)電池性能的影響,800℃采用指型孔道作為支撐陽(yáng)極的電池具有更高的放電功率,其最大功率密度值為1.97W·cm-2。

5、　　采用相轉(zhuǎn)化紡絲技術(shù)制備了NiO-YSZ中空纖維陽(yáng)極,考察了紡絲工藝條件包括紡絲壓力、內(nèi)凝固浴流速和空隙長(zhǎng)度對(duì)陽(yáng)極形貌的影響,獲得優(yōu)化制備工藝。采用不同N2壓力制備了NiO-YSZ中空纖維陽(yáng)極,當(dāng)N2壓力為0.1MPa制備的電池具有最高的最大功率密度值為0.54W·cm-2。
　　采用相轉(zhuǎn)化法和浸漬涂敷技術(shù)制備了陽(yáng)極支撐微管式SOFC?？疾炝岁?yáng)極NiO含量、陽(yáng)極功能層和復(fù)合陰極對(duì)電池性能的影響。隨著NiO含量的增加,陽(yáng)極的孔隙率

6、和電導(dǎo)率升高,電池的放電功率也隨之提高。引入陽(yáng)極功能層后,電池的功率輸出繼續(xù)增加。采用LSM-YSZ兩相質(zhì)量比為60:40的復(fù)合陰極材料,800℃組裝的微管式SOFC其最大功率密度為0.85W·cm-2。通過(guò)EIS解析,在高負(fù)載電流下,電池性能主要受到擴(kuò)散過(guò)程控制的低頻區(qū)阻抗的影響。制備了陽(yáng)極支撐ScSZ電解質(zhì)微管式SOFC,800℃電池的最大功率密度為1.0W·cm-2;進(jìn)一步考察了其在NH3氣氛下的電化學(xué)性能,800℃最大功率密度為