SOFC电解质和阳极微结构优化及阴极性能测试研究

摘要

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)是一种新型的全固态发电装置。由于具有燃料能量转换效率高、与环境友好、对燃料的适应性强、全固态结构、不需要使用贵金属催化剂、造价相对较低等优点，得到了世界范围内的关注。传统的 SOFC在高温(1000℃左右)下运行所带来的诸多材料和技术问题。近年来主要集中在中、低温(500~800℃)SOFC的研究。操作温度的降低能够使用廉价的连接材料、显著的提高其热循环稳定性等，从而促进SOFC的商业化。但温度的降低会增大电解质的欧姆电阻和阴极阳极极化电阻，所以对电解质材料的性能、电极材料的催化活性、电极的微结构提出了更高的要求。
　　本论文采用水热法制备了8YSZ粉体，通过对该粉体的XRD、SEM-EDS和TEM分析测试，结果表明制备的8YSZ粉体颗粒细小且团聚少。研究了不同α-Al2O3添加量对8YSZ电解质烧结性能、抗弯强度和电化学性能的影响，最佳α-Al2O3的添加量为3wt.％，在1450℃，达到了最大的相对致密度97.72%，抗弯强度最大为371.6MPa。把添加3wt.%α-Al2O3的8YSZ加入到阳极制备NiO-8YSZ复合阳极，得到复合阳极的抗弯强度为210.8MPa，比未添加α-Al2O3抗弯强度大。α-Al2O3含量为3wt.%时8YSZ拥有在各个测量温度点（550~800℃）的最高离子电导率。750℃时，以氢气为燃料，α-Al2O3的添加量为3wt.%时，单电池的最大功率密度为0.97W/cm2，欧姆电阻（主要是电解质电阻）最小为0.23??cm2。
　　本文也研究了不同 PMMA尺寸对阳极微观形貌的影响以及对单电池性能的影响。通过SEM分析，PMMA含量为10wt.%，尺寸为5μm时，孔洞大小合适，孔洞之间的连通性好，分布均匀，有利于气体的扩散和保证阳极的机械强度，改善了阳极的微观结构。通过单电池电化学测试，750℃时，以氢气为燃料，PMMA尺寸为5μm时的电极极化电阻最小，为0.92??cm2，功率密度最大为0.78W/cm2。
　　本论文还研究了离子-电子混合导体阴极（MIEC）氧还原过程，发现阴极极化的主要影响因素有阴极的离子和电子电导率、阴极的本征催化活性、阴极微结构和阴极/电解质界面微结构。研究发现对阴极极化电阻的测试要求不高或只了解阴极材料随温度的变化趋势，可以采用工艺操作简单，测试方便的对称法。但对需更准确测量阴极的极化电阻大小，则需要采用工艺相对复杂的三电极法，三电极法能使得测量值最大限度的接近真实值。在500℃、750℃和800℃下，通过对称法测得SSZ-LSM的极化电阻分别为53.89Ω?cm2、3.15Ω?cm2和1.05Ω?cm2。三电极法测得SSZ-LSM的极化电阻分别55.59Ω?cm2、3.03Ω?cm2和0.99Ω?cm2，三者相差分别为2.30Ω?cm2、0.12Ω?cm2和0.06Ω?cm2。

目录

声明

1引 言

2文献综述

2.1燃料电池概述

2.2固体氧化物燃料电池（SOFC）发展现状及研究进展

2.3 SOFC的关键材料

2.4电解质粉体的制备方法

2.5电解质薄膜的制备方法

2.6 SOFC的极化损失

2.7本课题的研究内容意义和主要工作

3实验部分

3.1实验原料

3.2主要设备和分析测试仪器

3.3混合电解质粉体的制备工艺流程

3.4阳极支撑型单电池的制备工艺流程

3.5表征手段与测试方法方法

4α-Al2O3添加量对8YSZ电解质性能的影响

4.1引言

4.2实验过程

4.3结果与讨论

4.4本章小结

5不同尺寸的球形PMMA造孔剂对阳极显微结构的影响

5.1引言

5.2实验过程

5.3结果与讨论

5.4本章小结

6阴极反应过程分析及测试方法对比研究

6.1引言

6.2离子-电子混合导电阴极（MIEC）的氧还原过程

6.3离子-电子混合导电性阴极氧还原反应的途径

6.4多孔MIEC阴极氧还原反应的连续理论模型

6.5恒电流中断技术

6.6阴极浆料的制备

6.7半电池的制备

6.8结果与讨论

6.9本章小结

7 结 论

致谢

参考文献

研究生期间发表的论文