阴极支撑平板式固体氧化物燃料电池的制备及性能研究

发布时间：2020-05-26 13:36

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能量转换装置,可以通过电化学反应将燃料中的化学能直接转化为电能。这种转换方式具有高效率、零(低)排放、燃料适应性强等众多优点,因此受到了社会的广泛关注。但传统的SOFC需要在高温(800-1000℃)下运行才能保证电池的高功率密度,高温运行对于SOFC快速推向市场是比较大的缺点,如何实现SOFC的中低温化运行对于研究工作者是一种挑战。本文主要围绕电池材料的选择和制备方法对实现电池的中低温化进行探讨研究。(1)采用固相反应法合成了A缺位的LSM95阴极粉体,经过XRD表征,确定了LSM95具有稳定的钙钛矿结构,并且与电解质SSZ在1250℃的高温下具有良好的化学相容性。经过热膨胀系数的测定,确定了3YSZ、LSM95和SSZ在25-800℃下具有良好的热匹配性。通过测定材料的电导率,确定了LSM95和SSZ具有优越的电导率。经过测定3YSZ-LSM95阴极复合材料的孔隙率和电导率,确定了3YSZ和LSM95粉体作为复合阴极的质量比为5:5,造孔剂炭化淀粉用量为10%wt.。(2)干压法制备了电解质支撑的NiO-SSZ|SSZ|LSM95-3YSZ单电池,在600-800℃间的功率密度分别为22.07、32.45、56.13、87.01和125.12mW/cm~2。流延法制备了阴极支撑的NiO-SSZ|SSZ|LSM95-3YSZ单电池,在600-800℃间的功率密度分别为7.16、13.49、23.12、35.64和49.76mW/cm~2。从功率密度的实验数据分析可知,流延法制备的电池性能并不理想,经过查阅文献发现,阴极活性和电解质层之间增加一层过渡层,可以有效地提高电池的功率密度,所以下一步实验就是增加过渡层,然后对电池的性能进行研究。(3)由于前面工作流延得到的NiO-SSZ|SSZ|LSM95-3YSZ阴极支撑型电池的性能并不理想,所以对流延结构进行了优化,在支撑层与电解质层之间增加了过渡层,流延了阴极支撑的SSZ|SSZ-LSM95|LSM95-3YSZ三层结构,然后以丝印的方法在三层结构上制备了NiO-SSZ和NiO-CGO复合阳极,H_2为燃料时,以NiO-SSZ为复合阳极的电池在700-900℃间的功率密度分别为63.27、83.23、115.32、135.71和162.58 mW/cm~2。以NiO-CGO为复合阳极的电池在700-900℃间的功率密度分别为36.69、50.59、63.69、75.36和86.73mW/cm~2。与NiO-SSZ|SSZ|LSM95-3YSZ阴极支撑型电池的性能进行对比,不难看出,增加了过渡层的电池性能明显增高,说明流延法制备阴极支撑型SOFC加入过渡层的必要性。(4)采用溶胶-凝胶法合成了LSCrM阳极粉体,通过XRD对其晶体结构进行了表征,确定了其成相温度。流延法制备了以阴极支撑的SSZ|LSM95-3YSZ双层结构,通过浸渍法在双层结构上制备了LSCrM-CeO_2阳极。研究了不同浸渍量对电池性能的影响,发现浸渍量与电池的性能在一定范围内呈正相关。然后CH_4作为燃料,探讨了LSCrM-CeO_2阳极材料的抗积炭性能,电池在600-800℃间的功率密度分别为1.68、4.70、12.40、28.08和54.78 mW/cm~2,且以46.50mA/cm~2的小电流密度进行放电测试,功率密度测试前为54.78 mW/cm~2,测试后为68.20 mW/cm~2。电池的性能没有出现明显的衰减,说明电池在甲烷气氛中没有积碳的出现,从测试后电池的SEM图中也可以看出阳极表面几乎没有碳颗粒,进一步证实了LSCrM-CeO_2阳极材料具有一定的抗积炭能力。该论文有图60幅,表11个,参考文献113篇。
【图文】：

固体氧化物燃料电池,工作原理图,固体氧化物电解质,氧离子

固体氧化物电解质有两种作用，一是传递氧离子，二是分隔燃料和氧化剂。工作原理如图 1-1 所示。图1-1 固体氧化物燃料电池工作原理图Fig.1-1 Schematic of the working principle of SOFC

电流曲线,电流曲线,电压,热力学效率

可通过 Nernst 方程[19]求得：2220ln ln4 2Hr OH OPRT RTE E PF F P 态下的电池电动势，如下式：0ln4iRTE KF rE = ，可转换为：反应的标准 Gibbs 自由能；0 H为电池反应的熵变；z 为 1 mol 燃料在电池中发生反应转移。的热力学效率为：TGfH
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4;TB34

【参考文献】