固体氧化物燃料电池Ni-Co合金基陶瓷阳极材料性能研究

摘要

Ni基陶瓷材料对于燃料的催化氧化活性高，导电性良好，且与陶瓷基电解质化学相容性好，是目前固体氧化物燃料电池（SOFC）研究较为广泛的阳极材料。传统Ni基陶瓷阳极面临高温Ni颗粒易烧结，以碳氢化合物为燃料时积碳严重的问题。本文以提高传统Ni基陶瓷阳极抗积碳性，延长阳极使用寿命为研究重点，考察了Co掺杂对于Ni-Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）阳极材料的改性影响；以及降低阳极Ni负载量，构建Ni包覆结构的新型阳极，对传统的Ni基陶瓷阳极进行了改良研究。 通过水热法制备了不同Co掺杂量的Ni1-xCoxO-SDC材料，并以此为阳极制备了Ni1-xCoxO-SDC|SDC-(Li0.66Na0.34)2CO3|LiNiO2-SDC-(Li0.66Na0.34)2CO3单电池。结果表明适量的Co可以融入NiO的晶格当中，经还原后形成Ni-Co合金相催化剂。Co的掺入增强了Ni与SDC相的相互作用，抑制了高温下Ni颗粒的烧结长大，使得阳极的微观结构得以优化，增强了阳极催化活性。此外，Co的掺杂减少了以甲醇为燃料时阳极的积碳含量，且降低了积碳的石墨化程度。对Ni1-xCoxO-SDC为阳极的单电池在700 oC，甲醇燃料下进行放电性能测试，结果表明当x=0、0.05、0.1和0.2时，分别取得了514、582、675和371 mW cm-2的最大功率密度，即适量Co的掺杂有利于提高电池的放电性能。相比于未掺杂Co的Ni-SDC阳极电池仅可稳定工作260 min，掺杂Co的阳极可以实现500 min稳定放电，电池工作寿命大大增加。 采用浸渍法制备了不同 Ni负载量的包裹型 LaNi0.9Co0.1O3（LNC）-SDC材料，并将其作为阳极前驱体制备成了LaNi0.9Co0.1O3-SDC|SDC-(Li0.66Na0.34)2CO3|LiNiO2-(Li0.66Na0.34)2CO3单电池。结果表明覆盖在SDC表面的LaNi0.9Co0.1O3钙钛矿经还原后，可以在SDC表面形成尺寸细小，且高分散的Ni-Co合金。TGA分析显示，阳极的积碳量与N i含量有直接关系，N i负载量越小，阳极的积碳含量越少。EIS结果显示，当阳极Ni的负载量达到10 wt%时，即可保证足够的电子导电性，同时由于金属Ni的高分散，阳极催化活性相比于传统Ni基阳极有明显提升。以LNC-SDC、2LNC-SDC、10LNC-SDC和20LNC-SDC为阳极的单电池在700 oC，甲醇为燃料时，分别取得了511、453、745和872 mW cm-2的最大功率密度。对比传统Ni基阳极，采用Ni包覆型的新型阳极结构，可以在更低的Ni负载量下，保证阳极足够的导电性，同时提高了阳极的催化活性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 燃料电池的定义

1.3 燃料电池简史

1.4 燃料电池的种类

1.5 固体氧化物燃料电池的概述

1.6 固体氧化物燃料电池的关键材料

1.7 固体氧化物燃料电池发展前景

1.8 本论文的主要研究方向及内容

第2章 钴掺杂对NiO-SDC阳极材料的改性研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 包覆型LaNi0.9Co0.1O3-SDC作为SOFC新型阳极材料的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 结论与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢