多种新型生物造孔剂对高性能SOFC阳极结构与性能的影响研究

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，具有效率高、污染小、不使用贵重金属催化剂等特点。为把SOFC的工作温度降到中低温以解决高温下电极烧结、电解质和电极之间的界面扩散、热膨胀不匹配等问题，目前最为有效的方法之一是采用阳极支撑型SOFC。阳极支撑型SOFC中，阳极厚度比电解质和阴极大很多，因此单电池的电化学性能和物理性能很大程度上取决于阳极的化学组成及结构。对于高质量的SOFC阳极而言，要保证高电导率、高电化学活性和高强度，阳极的微观结构及合适的孔隙率尤为重要。添加造孔剂是改变阳极微观结构最常见，有效及简单易行的办法。
　　本文首先采用有机玻璃为原料制备PMMA，利用浓度的不同制备不同大小的PMMA。发现随着浓度的提高，最终的PMMA颗粒粒度随之增大。采用这种方法制备同一组成、不同粒径大小的造孔剂简单易行，可根据电池内部不同组件对孔隙率的不同要求制备造孔剂。
　　本文还首次采用生物细胞—油菜花粉，蛋黄为阳极新型造孔剂，研究不同形貌、粒径大小、含量的造孔剂对阳极孔隙率、机械强度、微观结构以及单电池放电性能的影响。与纸纤维进行对比，造孔剂含量同样的条件下，添加花粉的单电池机械强度最低，添加纸纤维的单电池机械强度最高。
　　花粉燃烧后在阳极中留下直径约为5-10μm的圆形孔洞，含量为10 wt.％时，这些圆形孔洞单独存在，数量很少，连通性差；含量过高(30 wt.%)时，团聚的花粉在阳极中形成较大的单个孔洞或大的彼此相连的孔洞，造成阳极结构疏松，三相反应界面减小，电池输出功率下降。得出含量为20 wt.%的单电池性能最优，在750?C下，以氢气为燃料时，其总极化电阻为0.635?·cm2；最大功率密度为0.728 W/cm2。
　　蛋黄在阳极中形成直径1-2μm的圆形孔洞，孔洞数量多而密，分布在阳极内部各个部分，使得气体能平缓而均匀地流进阳极各区域，减小浓差极化，即使造孔剂含量达到30 wt.%，阳极中也没有出现过大的孔洞。这种细小的孔洞还使得阳极与电解质接触面没有过多的大空洞，有利于两者紧密结合。蛋黄含量为20 wt.%的单电池性能最好，最大功率密度为1.110W/cm2；电极极化电阻为0.391?·cm2。
　　纸纤维在阳极中形成线状的孔洞，孔隙大小适中，轴线垂直于电解质层。确定NiO:YSZ:纸纤维=5:5:1为最优配比，此时阳极中的孔隙分布均匀，相互连通，电池输出功率密度为1.097W/cm2，电极极化为0.297?·cm2。纸纤维含量继续增加后，阳极中的孔隙率过高，还出现方向平行于电解质的孔洞，电池输出功率密度下降。
　　此外，研究还发现三种造孔剂的最优单电池的抗热震性及阳极与电解质的热膨胀匹配程度好，制得的单电池较平整，这对于今后研究大规格、平整的SOFC平板单电池的制备非常有利。

目录

声明

1 文献综述

1.1 燃料电池

1.2 固体氧化物燃料电池

1.3 阳极三相反应界面及工作过程

1.4 阳极材料结构研究进展

1.5 阳极造孔剂

1.6 SOFC电化学基础

1.7 本论文的研究意义和主要工作

2 实验原料与测试方法

2.1 实验药品

2.2 实验仪器

2.3单电池制备工艺流程

2.4 性能表征

3 自制不同粒径大小的PMMA造孔剂的研究

3.1 实验过程

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

4 以花粉为阳极造孔剂的研究

4.1 实验过程

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

5 以蛋黄为阳极造孔剂的研究

5.1 实验过程

5.2结果与讨论

5.3 本章小结

6 以纸纤维为阳极造孔剂的研究

6.1 实验方法

6.2 结果与讨论

6.3 本章小结

7 对不同种类造孔剂中最优单电池的分析

7.1 抗热震性能

7.2 最优单电池阳极和电解质的烧结收缩曲线

7.3 本章小结

8 结 论

9 展 望

致谢

参考文献

发表论文情况