低温金属支撑固体氧化物燃料电池制备与性能研究

发布时间：2020-11-10 10:16

　　 固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cells,SOFC)直接将燃料中的化学能转换为电能,具有高效率、零污染、模块化程度高、可持续使用等众多优点,被称为21世纪最具发展潜力的绿色能源技术。传统的SOFC多以金属陶瓷(Ni-YSZ)作为支撑体,其材料成本高,结构力学性能差,难以实现机械加工等缺点严重制约了SOFC的商业化。随着SOFC低温化,以及薄膜制备技术的快速发展,使得SOFC制备工艺不断向着高效率、高水平方向发展,电池支撑体的原材料选择范围更为广阔。将金属材料作为SOFC的支撑体,不仅能够提高阳极的导电和导热性能,实现电池快速启动,而且有利于提高SOFC的结构强度,改善机械加工性能。本文以NiO和Fe_2O_3为原始材料,采用流延-丝网印刷-共烧结-原位还原工艺制备Ni_(0.7)Fe_(0.3)合金支撑SOFC,以Ni-GDC为阳极、GDC为电解质、LSM-BSCF为阴极材料。对Ni_(0.7)Fe_(0.3)合金支撑体力学性能、与电池组件的热匹配性、氧化还原性能进行了研究。对添加10wt.%和2wt.%造孔剂的支撑体采用同轴环施力方式测试断裂强度,应用双扭方法测试电池的断裂韧性,结果表明烧结态支撑体断裂强度为(33.41±0.55)MPa和(36.77±0.59)MPa,断裂韧性为(8.75±0.41)MPa·m~(1/2)和(9.64±0.37)MPa·m~(1/2),还原之后支撑体的断裂强度为(29.81±0.50)MPa和(32.61±0.60)MPa,断裂韧性为(11.05±0.34)MPa·m~(1/2)和(13.21±0.4)MPa·m~(1/2)。Ni_(0.7)Fe_(0.3)合金支撑体在400~900°C的平均CET为14.8×10~-66 K~(-1)与电池的阳极(Ni-GDC)和电解质(GDC)具有良好的热匹配性能,有利于提高电池结构稳定性。Ni_(0.7)Fe_(0.3)合金支撑SOFC电化学分析表明,以潮湿的H_2作为燃料,在650℃电池的最大功率密度为0.567W·cm~(-2),相应的阻抗谱分析表明,制约电池性能的主要因素是极化阻抗,以400mA cm~(-2)的电流密度进行放电测试,电池稳定运行了60h,衰减速率约为0.63mV·h~(-1);MS-SOFC经历5次氧化还原循环和三次热循环后,开路电压发生微小的变化,而电池的最大功率密度下降较多。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM911.4
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 固体氧化物燃料电池
        1.2.1 SOFC工作原理
        1.2.2 SOFC的发展趋势
    1.3 SOFC常见结构
        1.3.1 平板型SOFC
        1.3.2 管型SOFC
    1.4 SOFC关键材料
        1.4.1 电解质材料
        1.4.2 阳极材料
        1.4.3 阴极材料
    1.5 MS-SOFC
        1.5.1 MS-SOFC设计理念
        1.5.2 MS-SOFC国内外研究现状
    1.6 研究内容及意义
第二章 实验材料与实验方法
    2.1 实验所需试剂及设备
    2.2 粉体制备
        2.2.1 GDC粉体制备
        2.2.2 BSCF粉体制备
        2.2.3 LSM-BSCF复合粉体制备
    2.3 MS-SOFC制备及工艺
        2.3.1 金属支撑体的制备
        2.3.2 单电池制备
    2.4 材料分析和表征方法
        2.4.1 物相分析（XRD）
        2.4.2 显微形貌分析（SEM）
        2.4.3 孔隙率测量（Porosity）
        2.4.4 热膨胀系数测量（CTE）
    2.5 金属支撑体的力学性能测试
    2.6 MS-SOFC 电池测试
        2.6.1 MS-SOFC电池测试装置
        2.6.2 电池电流-电压测试
        2.6.3 交流阻抗谱测试
        2.6.4 电池稳定性测试
第三章 金属支撑体稳定性研究
    3.1 金属支撑体的表征
    3.2 不同造孔剂添加量对支撑体强度的影响
        3.2.1 不同造孔剂添加量对断裂强度的影响
        3.2.2 不同造孔剂添加量对断裂韧性的影响
    3.3 金属支撑体的热匹配性
    3.4 温度对支撑体的氧化还原行为的影响
    3.5 本章小结
第四章 低温MS‐SOFC的性能研究
    4.1 MS-SOFC单电池显微结构
    4.2 MS-SOFC电化学性能
        4.2.1 不同温度下的输出性能
        4.2.2 交流阻抗谱测试
        4.2.3 MS-SOFC开路电压与温度的关系
    4.3 MS-SOFC稳定性测试
        4.3.1 MS-SOFC的放电性能
        4.3.2 MS-SOFC氧化还原循环性能
        4.3.3 MS-SOFC热循环性能
    4.4 本章小结
第五章 结论
致谢
参考文献
攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果

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本文编号：2877818