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阳极微观结构对平板式IT-SOFC单电池性能影响研究

作　者: 侯冰雪
导　师: 罗凌虹
学　校: 景德镇陶瓷学院
专　业: 材料学
关键词: 水系流延阳极复合造孔剂 α-Al2O3 电化学性能
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell, SOFC）是一种高效清洁的能源系统,由于其燃料范围广,燃料纯度要求较低,全固态结构和不需要使用贵金属催化剂等优点,越来越受到人们的关注。当今国内外SOFC研究的热点之一是降低燃料电池的操作温度,即从1000?C降低到800?C以下的中低温区。这样可以有利于SOFC的规模化、商业化和民用化。电解质的厚度与SOFC的阳离子传导有着直接的关系,电解质越薄,电池的离子电导越高,有助于降低电池的操作温度。而降低操作温度的有效方法之一是制备出高性能的电解质薄膜,而这种薄膜通常是附着在多孔阳极之上的,因此本文主要围绕阳极体展开研究。本论文采用环保和低成本的水系流延成型方法制备出YSZ电解质薄膜和阳极坯体。造孔剂加入的主要目的是通过增大阳极的孔隙率来优化阳极显微结构。研究了分别以聚甲基丙烯酸甲酯（ polymethl metharylate, PMMA）和石墨作为单一造孔剂,其造孔剂的含量对阳极孔隙率和阳极显微结构的影响。通过对各种单电池的电化学性能测试,研究了造孔剂的含量对单电池电化学性能的影响。得出的阳极中造孔剂（PMMA或石墨）含量的最佳值为20wt.%（相对于NiO和8YSZ总质量）,以3%H2O+H2为燃料气,800?C时,其单电池（造孔剂PMMA或石墨）的开路电压（OCV）接近1.1V,最大功率密度为分别为:0.81W/cm2和0.93 W/cm2。本文研究了不同比例的PMMA和石墨组成的复合造孔剂,对比了各种比例的复合造孔剂对于阳极和电池性能的影响,从而确定了复合造孔剂最优比例是:PMMA:石墨=1:1。复合造孔剂制备的阳极强度比以单一的石墨为造孔剂时制备的阳极的强度要高。造孔剂加入量相同时,单一造孔剂和复合造孔剂的几种阳极的孔隙率差别不大,造孔剂PMMA:石墨=1:1时阳极中孔和孔径分布都很均匀,且孔大都是连通的。以3%H2O+H2为燃料气,800?C时,该阳极制备的单电池的电化学性能最好,其极化电阻最小为:0.54 ?cm2,最大功率密度为:1.06 W/cm2,且阳极和电解质的烧结收缩比较匹配。本文通过向阳极中添加α-Al₂O₃对阳极的烧结收缩进行调节,使得共烧过程中阳极材料的收缩与电解质材料的收缩更加匹配。研究了α-Al₂O₃含量不同对阳极烧结收缩、显微结构影响以及最佳α-Al₂O₃含量的阳极制备的单电池的性能,其最佳α-Al₂O₃的含量为3% wt.%。此时,阳极和电解质的烧结收缩匹配性好,该阳极的气孔率和显微结构良好且具有较好的抗热震性能,以3%H2O+H2为燃料气,800?C时,该阳极制备的单电池最大功率密度为:1.02 W/cm2。可用于制备大规格、平整的中低温SOFC平板单电池。

阳极微观结构对平板式IT-SOFC单电池性能影响研究

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