阴极支撑的管式液态锑阳极固体氧化物燃料电池的制备及电解质的稳定性研究

发布时间：2020-06-13 20:30

【摘要】：传统的固体氧化物燃料电池(SOFC)在直接使用固态碳燃料时,由于碳燃料颗粒粒径与阳极孔径尺寸的差异而难以扩散至阳极内部发生催化氧化反应,使得燃料的转化率较低,无法满足实际生产需求。以液态金属作为阳极的SOFC由于其阳极具有优良的电子导电性和较强的杂质耐受能力,并且在与固态碳燃料接触时有良好的物质传输能力而受到广泛的关注。在众多金属材料中,In、Sn、Sb、Pb和Bi金属的熔点都在SOFC的工作温度范围内,都可以被用作SOFC的阳极;其中,金属Sb及其氧化物Sb_2O_3在SOFC的工作温度范围内均为液态,并且Sb_2O_3在SOFC的工作温度范围内具有一定的氧离子导电性,因此金属Sb被认为是具有一定应用前景的液态金属阳极材料。本研究制备了阴极支撑的管式支撑体,成功组装成阴极支撑的管式液态Sb阳极固体氧化物燃料电池(LAA-SOFC);采用电化学工作站对不同温度下电池的电化学性能进行测试,验证了其组装成集成化电堆的可能性;同时,对阴极支撑的管式电池所使用的固态电解质(GDC、SDC、YSZ)在液态Sb阳极中的稳定性进行研究,总结归纳出不同实验条件下固态电解质在液态Sb阳极中的腐蚀机理,并提出相应的改善方法,主要研究内容如下:(1)采用注浆成型的方法,以LSM为原料,成功制备了长度为4.5~5 cm,管径为1 cm,壁厚0.5~0.7 mm的LSM阴极管式支撑体;以液态金属锑(Sb)作为金属阳极,采用浸渍-提拉法在支撑体表面制备了LSM-YSZ阴极功能层、YSZ电解质,组装成LSM阴极支撑的管式液态Sb阳极固体氧化物燃料电池(LAA-SOFC);电池在650°C、700°C、750°C、800°C时的峰值功率分别为12 mW·cm~(-2)、19.6 mW·cm~(-2)、27.7 mW·cm~(-2)、32 mW·cm~(-2);通过对电池电化学阻抗谱的分析发现阴极阻抗较大是制约电池性能的主要原因。(2)以平板状的CeO_2基电解质GDC作为研究对象,以高温液态的Sb和Sb_2O_3作为腐蚀介质,对化学模式下GDC电解质在两种腐蚀介质中的稳定性进行研究;试验结束后,分别用HNO_3和HCl溶液清洗掉电解质表面的金属Sb或Sb_2O_3残留,利用扫描电镜(SEM)和电子探针显微分析仪(EPMA)对电解质的表面形貌、截面形貌及元素分布进行观察;经分析后发现液态的Sb和Sb_2O_3沿着电解质的晶界扩散,致使晶粒脱落是GDC电解质受到腐蚀的主要原因,实验过程中,Sb_2O_3对GDC电解质的腐蚀性要明显弱于Sb;在GDC电解质的一侧刷上La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)(LSCF)阴极,以液态的Sb作为阳极,组装成全电池;模拟750oC时直接碳燃料电池(DCFC)的工作环境,在电化学模式下,对GDC电解质在液态Sb阳极SOFC中的稳定性进行研究,结果表明,电化学模式下电解质的腐蚀机理与化学模式下相同,同时发现,电解质的稳定性随电流密度的增加而变差。在相同实验条件下,研究了SDC电解质在液态Sb中的稳定性,发现其腐蚀机理与GDC相同。(3)以平板状的Y_2O_3稳定的ZrO_2(YSZ)作为研究对象,采用与GDC电解质稳定性研究相同的实验方法,对YSZ电解质在化学模式以及电化学模式下的稳定性进行研究;利用扫描电镜(SEM)、电子探针显微分析仪(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)对测试后YSZ电解质的表面形貌、相结构和微区元素分布进行分析,发现在腐蚀介质Sb和Sb_2O_3沿YSZ电解质的晶界扩散的同时,还伴随着Y_2O_3的扩散现象以及由此引发的YSZ电解质表层结构的相变,确定了YSZ电解质的腐蚀机理以及其与CeO_2基电解质腐蚀机理的不同之处;电化学模式下的电解质腐蚀主要来自于Sb_2O_3,并且随电流密度的增大而增强。
【图文】：

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本文编号：2711701