电解质自支撑的直接碳固体氧化物燃料电池的研制

发布时间：2017-12-17 03:05

  本文关键词：电解质自支撑的直接碳固体氧化物燃料电池的研制

  更多相关文章： 直接碳固体氧化物燃料电池 Ag-GDC 电解质自支撑 电堆

【摘要】：直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)是一种直接以固体碳为燃料的、全固态结构的电化学发电装置。该装置在清洁利用煤炭方面具有显著的优势,因此其研究和应用受到了各国研究者的关注和重视。目前,DC-SOFC的研究已取得很多的进展,但在小型应用方面还有一些问题需要解决,如:合适电极材料的选择以及便携式电堆的研制等。加之片式YSZ电解质支撑体因制备工艺简单、强度高、且成本低廉等,多被用于SOFC的研究。为此,本论文以片式YSZ电解质支撑体为基础,围绕DC-SOFC电极材料的选择以及便携式DC-SOFC电堆的研制等内容进行了一系列的研究。电极材料直接决定电池性能的优劣,因而选择一种合适的电极材料对制备高性能的电池而言是很有必要的。针对采用Ni-YSZ为阳极时,DC-SOFC会出现积碳现象;采用LSM-YSZ为阴极时,DC-SOFC性能不高等问题,选用了Ag-GDC作为电池的阳极与阴极材料,组装成YSZ支撑的、结构为Ag-GDC/YSZ/Ag-GDC(Ag-GDC为阴极)的SOFC后,先后采用加湿H2、负载Fe的活性炭为燃料对其进行电化学性能测试,并将该电池的性能与结构为Ag-GDC/YSZ/LSM-YSZ(LSM-YSZ为阴极)的SOFC进行对比。结果表明,结构为Ag-GDC/YSZ/Ag-GDC的SOFC在进行直接碳测试时表现出较好的输出性能,825?C时电池的最大功率密度为265 mW cm-2,约是结构为Ag-GDC/YSZ/LSM-YSZ的SOFC最大功率密度的1.4倍。除此之外,Ag-GDC作为DC-SOFC的阳极材料时不用还原,又不存在积碳问题,而且制备简单,因此Ag-GDC是一种合适的DC-SOFC电极材料。为了推动DC-SOFC在小型应用方面的进程,采用流延法制备了一种长度约5.5 cm、宽度约2.8 cm、厚度约0.5 mm、开孔直径为1 mm的YSZ电解质支撑体,并以此为基片制备电解质自支撑的DC-SOFC电堆。根据开孔的位置在基片两侧有序地涂刷Ag-GDC,每个电极的区域均为20 mm?5 mm;接着使用银导电胶作为连接材料,通过堵塞小孔将基片两侧的阴极与阳极串联起来;然后采用负载Fe的活性炭作为燃料、氧化铝陶瓷舟作为燃料载体进行组装、密封,即制得了有效面积为4 cm2的电解质自支撑的DC-SOFC电堆;最后采用四电极法对其进行不同温度下的电化学性能测试。结果表明,随着温度的升高,该电堆的开路电压和最大功率密度均是逐渐升高的,820?C时开路电压为3.8 V、最大功率密度为170 mW cm-2、最大输出为680 mW;该电堆的总电阻和欧姆电阻均是逐渐降低的,820?C时总电阻为24Ωcm2、欧姆电阻为15Ωcm2,这种变化趋势与单个DC-SOFC的变化趋势是一致的。820?C时,选取0.15 A的放电电流对DC-SOFC电堆进行稳定性测试,发现该电堆在2.8 V左右的电压下可稳定运行15 h,且测试完成后观察到该装置比较完整、无明显裂缝,这说明了电解质自支撑的DC-SOFC电堆在小型应用方面具有一定的可行性。最后采用流延法制备了两个直径约3.2 cm、厚度约0.5 mm的圆片状YSZ电解质支撑体,采用涂刷法在支撑体两侧制备了直径约1.3 cm的圆形Ag-GDC电极,即制备了两个同样规格且结构为Ag-GDC/YSZ/Ag-GDC的SOFCs。采用负载铁的活性炭作为燃料,石英管作为燃料载体,组装了两节串联的DC-SOFC电堆,通过进行电化学性能测试,发现其开路电压和最大输出均随温度的升高而升高,800?C时该电堆的开路电压为2.1 V、最大输出为1.1 W。由此说明该装置的气密性良好,且工作原理与单个DC-SOFC的是相同的,所以该装置也具有一定的可行性。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4

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