平板式中溫SOFC陽極系統(tǒng)的研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells,SOFCs）具有全固態(tài)、高效率等優(yōu)點(diǎn)，能量轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)80％，是目前世界各個(gè)國家的研究熱點(diǎn)之一。這種電池陽極與電解質(zhì)通常共燒結(jié)在一起。為了防止高溫下氧化氣與還原氣混合而發(fā)生爆炸，需要將還原性氣體與氧化性氣體用密封材料隔離。
　　研究了具有鏈狀結(jié)構(gòu)的淀粉和具有球形結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA`）作為陽極支撐層造孔劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，15mass%淀粉制備的陽極孔

2、隙率為29.8%，電導(dǎo)率為2000.35S·cm-1；而15mass%和30mass%PMMA制備的陽極孔隙率分別是36.4%和59.4%，電導(dǎo)率分別是1200.0S·cm-1和1008.45S·cm-1。制備的電池放電測(cè)試表明，當(dāng)孔隙率小于59.4%時(shí)，相同H2流速下電池的功率密度隨孔隙率的增加而增加；當(dāng)孔隙率達(dá)到59.4%時(shí)，H2流速的增加對(duì)電池功率密度的提高影響不明顯。
　　用平均粒徑大于1μm的NiO-Ⅰ、NiO-Ⅱ和Ni

3、O-Ⅲ用于制備陽極功能層，發(fā)現(xiàn)NiO-Ⅰ制備的電池的放電功率密度最高，達(dá)到121mW·cm-2，而NiO-Ⅲ制備的電池功率密度僅有81mW·cm-2，SEM分析表明NiO-Ⅰ的顆粒比較細(xì)小，平均粒徑約2μm，而NiO-Ⅲ達(dá)到4.47μm；采用沉淀法制備的納米NiO-Ⅳ和商品納米NiO-Ⅴ制備的電池，最大功率密度分別高達(dá)205.3mW·cm-2和308.2mW·cm-2，原因在于納米顆粒尺寸小，比表面積大，催化性好，與YSZ的附著性佳。7

4、00℃煅燒增加了NiO-Ⅴ的活性，電池功率密度增加到369.0mW·cm-2。對(duì)陽極功能層的YSZ在1200℃煅燒后再球磨12h，電池最大功率密度達(dá)到了390.5mW·cm-2，原因是鍛燒球磨的YSZ呈球形，增加了NiO分散的均勻性。
　　對(duì)于目前國內(nèi)普遍作為SOFC電解質(zhì)使用的JC 8YSZ和TOSOH 8YSZ進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較。實(shí)驗(yàn)表明兩者都是在1000℃開始發(fā)生收縮，JC 8YSZ的最大收縮率為25.2%，而TOSOH 8YSZ

5、的最大收縮率只有19.0%。TOSOH 8YSZ的平均粒徑為0.71μm，JC 8YSZ的平均粒徑為1.91μm。測(cè)試的Nyquist曲線表明在800℃時(shí)JC8YSZ和TOSOH 8YSZ的電導(dǎo)率分別是0.0179S·cm-1和0.0212S·cm-1，計(jì)算活化能分別是108.35kJ·mol-1和105.67kJ·mol-1，用這兩種8YSZ制備的電池在800℃最大功率密度分別是184.08mW·cm-2和267.75mW·cm-2。

6、SEM照片表明兩種8YSZ在1500℃燒結(jié)時(shí)都不致密，但是采用80%JC與20%TOSOH 8YSZ混合則可以得到致密的電解質(zhì)膜。厚度20μm時(shí)，開路電壓800℃可達(dá)1002mV，放電功率密度447.0mW·cm-2，并且保持穩(wěn)定，而當(dāng)厚度降低到7μm時(shí)，開路電壓800℃只有923mV，放電功率密度253mW·cm-2，并且開路電壓在20min內(nèi)降低，原因是還原過程陽極體積的變化導(dǎo)致電解質(zhì)破裂。
　　SLABS3與SOFC組元共燒

7、時(shí)粘接性良好。能譜分析表明，向微晶玻璃方向，與NiO/YSZ陽極共燒Zr的擴(kuò)散深度10μm；與陰極共燒Mn的擴(kuò)散深度60μm；與連接體共燒，Cr和Fe的擴(kuò)散深度約20μm，但是微晶玻璃的成分卻沒有向相鄰組元擴(kuò)散，符合兼容性要求。制備的模擬電池用該密封材料隔離H2和O2，開路電壓熱循環(huán)6次仍保持在1.05V左右，表明SLABS3密封的模擬電池的氣密性和穩(wěn)定性良好。
　　由于硬密封導(dǎo)致電池?zé)o法拆卸，同時(shí)研究了云母和氣相SiO2填充的陶