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阳极支撑体对氧化锆电解质薄膜燃料电池性能影响研究

作　者: 胡金艳
导　师: 吕喆
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 固体氧化物燃料电池(SOFC) 阳极支撑体 复合造孔剂 阳极活化层
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,简称SOFC)是一种清洁高效的能源系统,同时具有燃料适用范围广,且对燃料纯度要求较低,不需要使用贵金属催化剂以及全固态结构等优点,因此极具应用价值。目前SOFC研究的热点是将工作温度降到800℃以下的中低温区,这样可以增加电池元件的稳定性、延长电池寿命、扩大电池材料的选择范围,进而降低电池的成本,更重要的是中温化有利于SOFC的规模化、民用化和商业化。实现SOFC中温化的关键是制备出高性能的电解质薄膜,这种薄膜通常是附着在多孔阳极支撑体之上的,深入开展阳极支撑体的组成、制备工艺与微结构研究对于提高SOFC性能、推进其实用化至关重要,因此本文主要围绕氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质薄膜的阳极支撑体展开研究。本论文采用沉淀方法制备NiO粉体与微米级粒度的YSZ以及造孔剂混合后用干压法制备阳极支撑体。造孔剂的加入主要是通过增大阳极的孔隙率达到优化阳极微结构的目的。本文研究了不同比例的活性炭、面粉以及由活性炭和面粉组成的复合造孔剂的作用,仔细研究了各种造孔剂对于阳极和电池性能的影响进而确定最合适的造孔剂及其最优比例。实验结果表明,活性炭造孔剂可以显著地影响阳极支撑体的烧结收缩,阳极支撑体中面粉造孔剂含量的变化几乎不引起阳极烧结收缩的变化,但可可以主要用来调节阳极的孔隙率。在此结论的基础上,本论文提出同时使用面粉和活性碳组成复合造孔剂的思想,从而同时有效地调节阳极支撑体的烧结收缩和孔隙率。由所测得的阳极烧结曲线得到加入复合造孔剂的阳极中四种粉体(NiO:YSZ:面粉:活性炭)的质量比为5:5:2.5:0.5时阳极在900~1400℃的总烧结收缩是20.4%,仅比YSZ的小约0.8%,这很好地解决了阳极与电解质的收缩匹配问题。阿基米德方法测量阳极的孔隙率为34%(还原前),满足阳极支撑体的要求。用浆料旋涂方法在此支撑体上制备了YSZ电解质薄膜,阴极采用Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)浸渍的La0.7Sr0.3MnO3(LSM),制备单电池,电化学测试结果表明电池的性能良好,并且伏安曲线在大电流密度区没有出现明显的浓差极化,因此阳极的孔隙率很合理。单电池在700和800℃的最大功率密度分别为688和1122 mW/cm2。使用浆料旋涂方法在阳极和电解质之间制备由NiO和YSZ(Tosoh)组成的阳极活化层,研究了不同厚度的阳极活化层对于阳极支撑体和单电池性能的影响。活化层增加了阳极的催化活性,降低了阳极与电解质之间的界面阻抗。旋涂一层活化层的单电池在700℃的最大功率密度达到662 mW/cm2,较无活化层的单电池的提高了近150%。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-16
  1.1 燃料电池简介  10
  1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）  10-13
    1.2.1 SOFC的工作原理及特点  10-12
    1.2.2 SOFC阳极  12
    1.2.3 SOFC电解质  12-13
    1.2.4 SOFC的其它组件  13
  1.3 国内外研究现状  13-14
  1.4 论文要解决的问题  14-16
第2章 浆料旋涂法制备薄膜燃料电池研究  16-25
  2.1 概述  16-17
  2.2 实验  17
    2.2.1 样品制备  17
    2.2.2 单电池测试  17
  2.3 结果和讨论  17-24
    2.3.1 阳极的微观结构  17-18
    2.3.2 阴极由SDC硝酸盐溶液浸渍研究结果及讨论  18-20
    2.3.3 单电池的电化学性能  20-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章 单一造孔剂对阳极性能影响的研究  25-36
  3.1 概述  25-26
  3.2 实验  26-28
  3.3 结果和讨论  28-34
    3.3.1 阳极微结构结果及分析  28-30
    3.3.2 烧结收缩结果及分析  30-34
    3.3.3 热膨胀结果及分析  34
  3.4 本章小结  34-36
第4章 复合造孔剂对阳极性能影响的研究  36-44
  4.1 概述  36
  4.2 实验  36-37
  4.3 结果和讨论  37-43
    4.3.1 阳极的孔隙测量  37-38
    4.3.2 烧结收缩结果及分析  38-39
    4.3.3 阳极支撑体BC_2的研究结果和分析  39-43
  4.4 本章小结  43-44
第5章 阳极活化层的研究  44-51
  5.1 概述  44
  5.2 实验  44-45
    5.2.1 样品制备  44-45
    5.2.2 单电池测试  45
  5.3 研究结果和讨论  45-50
    5.3.1 微结构结果和讨论  45-46
    5.3.2 不同厚度活化层对单电池性能的影响  46-50
  5.4 本章小结  50-51
结论  51-52
参考文献  52-56
附录实验仪器  56-57
攻读学位期间发表的学术论文  57-59
致谢  59

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
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