管式阳极支撑固体氧化物燃料电池的制备和性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yizhonglishi
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固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种新型的能量装换装置,具有能量转换效率高,环境友好、可选的燃料气体范围广等明显优势,因此越来越受到各国研究者的重视。尽早将SOFC技术推向实用化将为高效洁净的使用化石燃料从而达到节能减排的目的做出贡献。阳极管式支撑型SOFC做为近年来研究的热点,也是最有可能进入商业化生产的SOFC结构之一。因此,选用低成本高效率的合适的生产工艺来制备管式阳极支撑体也是使固体氧化物燃料电池能够尽早的投入商业化应用的重要途径。本论文工作使用一种传统的陶瓷制备工艺:挤出成型法,制备了长管式SOFC的阳极支撑体,并在这种多孔的阳极基体上使用浸渍法制备了YSZ电解质薄膜,然后采用涂刷法在电解质膜上制备阴极后,使用银浆为封接材料,银线为导线对电池进行电化学性能测试。本文同时研究了使用石墨、淀粉、玉米粉三种阳极造孔剂后对挤出成型法制备的阳极长管式支撑体的微观结构的影响。结果表明,使用20%的石墨做为造孔剂后,阳极的微观结构最为均匀,且没有明显的烧结现象与大的孔洞,与淀粉和玉米粉为造孔剂时相比,其电化学性能也最高,在不使用任何电荷收集器,阴极面积为9.5cm2的情况下,800oC下其输出功率达到了241mW/cm2。另外,在使用石墨造孔剂的阳极中,添加了5%mol比的Fe,以期优化阳极的结构和提高电池的电化学性能。随后的SEM测试和输出结果表明,在以石墨为造孔剂的阳极中添加5%mol比的Fe以后,阳极的结构更加疏松,更有利于燃料气体的传输,其电化学性能也有了一定的提高,在同样的阴极面积下,800oC时的功率密度达到了400mW/cm2,但同时由于Fe的导电性能与Ni有一定的差距,电池的欧姆阻抗有所升高。为了进一步改善阳极的结构,使用了浸渍法制备了分别以石墨,石墨/淀粉和淀粉为造孔剂的孔隙率梯度分布的阳极,结果表明,这种梯度分布的孔隙对阳极的性能有利,800oC下其电化学性能进一步提高为530mW/cm2。为使SOFC产业化工艺具有更多的选择性,使用新型的相转换工艺制备一种新型的阳极结构:锥管式阳极支撑体,并将其成功的组装成为SOFC单电池并进行了电化学性能测试。首先优化了相转换工艺,使用了不同比例的做为溶剂的NMP,来考察其对相转换工艺中阳极微观结构的影响。结果表明,当NMP的量与阳极粉料的质量比为1.2:1时,阳极具有最好的微观结构,相转换工艺特有的海绵状孔和大的指状孔的分布较为规律,且没有明显的裂纹出现。800oC下其电化学性能也最好,最大功率密度为180mW/cm2。由于相转换法的成孔机理是溶剂相和非溶剂相的粘度差,因此,本文在又在相转换法的阳极浆料中加入了不同比例的聚乙二醇、丙酮和油酸以期改变浆料的粘度,进而改变阳极的微观结构。结果表明,当在阳极浆料中加入20%的聚乙二醇以后,使阳极中海绵状孔的区域变厚,同时指状孔更加均匀,这种结构能够提高阳极的性能。相同阴极面积下,电池在800oC下的功率密度为340mW/cm2,比添加35%的PEG和未添加任何添加剂时输出性能提高显著。另外,加入、丙酮和油酸后也能够改变阳极空隙的分布,实验结果证明,丙酮有利于大的指状孔的发展,而油酸则会使这种特征结构完全消失。还研究了在相转换法制备的阳极的不同表面,即接水面(W-surface)和隔绝水面(I-surface)上制备电解质膜。实验证明,在不同的阳极表面上制备电解质膜能够得到不同的输出性能和阻抗测试结果。在隔绝水面做膜时,这种阳极的表面结构和内部形貌有利于膜的形成和电池工作时电子的传输,800oC下其最大功率密度为350mW/cm2,欧姆阻抗也较小。同时,本文利用锥管式结构的独特优势,成功的将两节锥管式单电池串联为电池组,其开路电压达到了1.8V,电池组总的输出功率达到了2W。本文研究了在不同的温度下进行相转换工艺后阳极的微观结构,结果表明,20-50oC是比较合适的相转换工艺的温度区间。为了降低SOFC的工作温度,使用相转换工艺成功的制备了Ni-GDC锥管式阳极基体,并在阳极上浸渍了GDC电解质膜,并在不同的温度下烧结电解质膜后,使用LSCF做为阴极组装成单电池并进行了电化学性能测试。实验结果表明,GDC电解质膜经过1400oC烧结后,电解质膜的微观结构与1300oC相比有了很大的改善,但还是有一些气孔的存在。而电解质膜经过1500oC烧结后,电解质膜变得致密,然而阳极的颗粒增大,孔隙率骤降,随后的电化学性能测试也表明,1400oC烧结后其输出功率较高,达到了390mW/cm2。
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