單室固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)設計及電極穩(wěn)定性研究.pdf

1、單室固體氧化物燃料電池(SC-SOFC)是固體氧化物燃料電池(SOFC)中一種全新的結(jié)構(gòu),它只有一個充滿含有燃料與氧氣混合氣體的氣室,利用陽極和陰極對燃料與氧氣的選擇催化性產(chǎn)生電壓和電流,避免了傳統(tǒng)固體氧化物然電池的密封問題,具有耐熱、耐沖擊性好、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等一系列優(yōu)點。目前SC-SOFC還存在著一些不可回避的問題,其中電解質(zhì)支撐同面電池的歐姆電阻大,嚴重影響電池輸出性能;電池傳統(tǒng)陽極材料Ni/YSZ在燃料和氧化的混合氣氛中會頻繁發(fā)

2、生氧化-還原循環(huán)從而導致電池性能振蕩;Ni/YSZ陽極在含碳燃料中還會由于碳沉積導致電池性能的衰退,這些是影響SC-SOFC輸出性能和穩(wěn)定性的三個主要因素。本文以SC-SOFC提高電池電化學性能和運行穩(wěn)定性為目標,針對目前SC-SOFC中存在的上述問題,從優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)和提高電極穩(wěn)定性兩方面入手展開系統(tǒng)研究,并且嘗試在質(zhì)子導體燃料電池和SC-SOFC中應用同時具有電子、氧離子和質(zhì)子三種導電性的單相陰極BaPr1-xInxO3-δ(x=0.

3、1,0.2,0.3,BPI)。
　　電解質(zhì)支撐的同面電池具有結(jié)構(gòu)設計多樣性,便于組建電池組等優(yōu)點,是SC-SOFC的一個重要的分支。但電池歐姆電阻在此類電池內(nèi)阻中占據(jù)主導作用,是影響電池性能的關(guān)鍵因素。針對同面結(jié)構(gòu)電池主要依靠增加電解質(zhì)厚度,減小電極寬度和縮小電極間距來降低電池歐姆電阻的傳統(tǒng)方法都會帶來各種新的問題。為此,我們改變思路,從改變電流流通路徑和電極的排布的角度出發(fā),發(fā)明了兩種新的電解質(zhì)支撐SC-SOFC結(jié)構(gòu),即凹槽和直

4、角面SC-SOFC。理論模擬和實驗觀測的結(jié)果表明,凹槽電池和直角面電池都改變了電解質(zhì)中電流的分布,明顯縮短了兩電極間的離子傳導距離,減小了電池的歐姆電阻;同時通過減少陰陽極之間的氣體交互影響,提高了電池的開路電壓,從而提高了電解質(zhì)支撐型SC-SOFC的性能。
　　針對SC-SOFC存在的性能振蕩問題,采用電池的開路電壓、電極溫度、放電曲線和交流阻抗譜的測試與同一電池陽極的區(qū)域電阻原位測試相結(jié)合的研究方法,將電池性能的變化和陽極中N

5、i的狀態(tài)改變直接聯(lián)系起來,證明Ni/YSZ陽極在單室條件下的氧化-還原循環(huán)是含Ni陽極SC-SOFC性能振蕩的主要原因,揭示了Ni/YSZ陽極在單室條件下發(fā)生氧化還原的機理。在此基礎上,進一步研究了CH4和O2的比例(M)、電池放電電流(J)和陽極厚度對陽極中Ni氧化還原及電池性能衰退的影響。實驗結(jié)果表明,M和陽極厚度是影響Ni氧化還原及電池性能衰退的主要原因,在高氧氣濃度或薄陽極的SC-SOFC中,Ni的氧化-還原只是一個過程,伴隨著

6、這種氧化-還原Ni逐漸趨于氧化的結(jié)果是SC-SOFC電池性能衰退的主要原因。測試前后電池陽極的掃描電鏡(SEM)照片顯示Ni/YSZ陽極在經(jīng)歷單室條件下的多次氧化-還原循環(huán)后,Ni顆粒發(fā)生不可逆的細化、團聚和陽極機械破裂,這是SC-SOFC性能發(fā)生不可逆衰退的主要原因。
　　以BaCO3修飾傳統(tǒng)Ni/YSZ陽極,可以極大地提高陽極的耐硫抗碳能力,獲得簡單、經(jīng)濟、高效的耐硫抗碳陽極催化劑。利用X射線衍射(XRD),微區(qū)拉曼光譜(Ra

7、man),熱重分析(TG)和SEM系統(tǒng)地研究了BaCO3-Ni-YSZ化合物在SOFC的制備和測試中的成相和化學穩(wěn)定問題,揭示了BaO修飾Ni,BaZr1-xYxO3-δ(BZY)修飾YSZ的選擇性的微觀結(jié)構(gòu)形成原因,并對Ba-Ni-YSZ陽極在CH4/O2的混合氣氛中的抗碳沉積性能和單室條件下的應用做了初步的研究。結(jié)果表明,Ba-Ni-YSZ這種經(jīng)濟、簡單、高效的催化劑有望在SC-SOFC中乃至化工領域得到應用。
　　首次提出了

8、基于H-SOFC的同時具有電子、氧離子和質(zhì)子三種導電性能的單相陰極BaPr1-xInxO3-δ(x=0.1,0.2,0.3,BPI)材料。通過系統(tǒng)地測試BPI材料的穩(wěn)定性和電導率,發(fā)現(xiàn)In的摻雜可以明顯提高BaPrO3材料在H2O和CO2氣氛中的化學穩(wěn)定性。測試了以BPI2單相材料為陰極的NiO/BZCYYb|BZCYYb|BPI2電池在單室條件下的性能,發(fā)現(xiàn)由于Pr的變價,電池在單室結(jié)構(gòu)中不能產(chǎn)生高的輸出性能,且穩(wěn)定性比較差,在短期實