中温固体氧化物燃料电池浸渍阳极的制备及电池性能研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池的性能和阳极的微观结构密切相关,优化阳极的微观结构可以改善电池的性能。离子浸渍法是制备纳米结构的高性能SOFC电极的重要方法之一。本研究采用离子浸渍法制备固体氧化物燃料电池阳极。为了配合本课题组采用石墨造孔剂制备大规格平板式单电池的需要,本研究首先对石墨的表面进行了改性,通过改善其润湿性和增加其表面含氧官能团,以达到改善其在水系中的分散性;然后以YSZ粉体和造孔剂（硝化石墨）为原料制备了高孔隙率的YSZ多孔层/YSZ致密层复合基体作为浸渍的载体,将其分别浸渍于硝酸镍的饱和溶液与丙酸-镍络合物溶液中,经多次浸渍、干燥、焙烧制备含镍催化剂的半电池,经涂覆阴极得到单电池。采用XRD和SEM对阳极的晶相和微观结构进行了表征,经丙酸-镍络合物溶液浸渍阳极中的NiO晶粒明显小于经饱和硝酸镍溶液浸渍阳极中的NiO晶粒,NiO晶粒均为纳米级;通过添加丙酸,可以增加浸渍溶液中的含镍量,提升浸渍速率,减小NiO晶粒尺寸,抑制NiO团聚,增加阳极三相反应区长度;NiO晶粒尺寸随着丙酸和硝酸镍的摩尔比值（R）的增加呈减小的趋势,晶粒范围在20nm～40nm之间,当R值为1.5时,NiO的晶粒尺寸为20nm;经丙酸-镍络合物溶液浸渍阳极制备的单电池在750℃时的最大功率密度（1.135W/cm2）高于经饱和硝酸镍浸渍阳极制备的单电池的最大功率密度（0.719W/cm2）。对于离子浸渍法制备固体氧化物燃料电池阳极,一个机械性能好、孔隙率高的YSZ多孔层/YSZ致密层复合基体是实验的关键,也是进行下一步实验要解决的首要问题,因此,本研究对YSZ多孔层/YSZ致密层复合基体的制备进行了研究。通过对致密层和多孔层的烧成收缩及石墨的粒径和不同粘结剂对复合基体的影响的研究,确定最佳组合。实验结果表明,采用D50=3μm的石墨粉体在微波条件下稀硝酸硝化改性,将D50=90nm的YSZ粉体与硝化石墨按照质量比为10:7、以PVA作粘结剂制备的YSZ多孔层/YSZ致密层复合基体具有良好的机械性能,且多孔层的孔隙率为50vol.%。另外,本研究还探讨了不同方法制备的阳极、及硝化石墨的含量及镍的浸渍量对单电池电性能的影响。实验结果表明,工作温度为750℃、H2环境下,以硝化石墨含量为70wt.%的复合基体为载体、NiO的浸渍量为50wt.%时,单电池的功率密度最高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 2 文献综述
• 2.1 燃料电池的概述
• 2.2 固体氧化物燃料电池概述
• 2.2.1 固体氧化物燃料电池的结构类型
• 2.2.2 固体氧化物燃料电池的工作原理
• 2.2.3 固体氧化物燃料电池的关键材料
• 2.2.4 固体氧化物燃料电池的特点
• 2.2.5 固体氧化如燃料电池的中温化
• 2.3 固体氧化物燃料电池阳极材料的研究概述
• 2.3.1 Ni/YSZ 阳极材料的反应动力学
• 2.3.2 Ni/YSZ 阳极材料
• 2.3.3 其他阳极材料
• 2.4 Ni/YSZ 阳极的制备方法
• 2.4.1 成型方法
• 2.4.2 压制法
• 2.4.3 浸渍法
• 2.5 固体氧化物燃料电池的极化损失
• 2.5.1 电极化曲线
• 2.5.2 活化极化
• 2.5.3 欧姆极化
• 2.5.4 浓差极化
• 2.6 论文选题目的、研究意义及创新点
• 2.6.1 论文的选题目的及研究意义
• 2.6.2 论文的创新点
• 3 实验材料与测试方法
• 3.1 实验药品
• 3.2 实验仪器
• 3.3 物理性质表征
• 3.3.1 X 射线衍射
• 3.3.2 场发射扫描电子显微镜
• 3.3.3 致密层和多孔层烧成收缩测试
• 3.3.4 YSZ 多孔层/YSZ 致密层复合基体抗折强度测试
• 3.3.5 YSZ 多孔层/YSZ 致密层复合基体孔隙率的测试
• 3.3.6 阳极的孔径分布测试
• 3.4 模拟电池电化学性能测试
• 4 石墨的优化改性
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 石墨的表面改性处理
• 4.2.2 改性石墨的润湿性测定
• 4.2.3 改性石墨的官能团测定
• 4.2.4 改性石墨的沉降速率测定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 改性处理对石墨微观结构的影响研究
• 4.3.2 改性处理对石墨润湿性的影响研究
• 4.3.3 改性处理对石墨表面官能团的影响研究
• 4.3.4 改性处理对石墨水系分散的影响研究
• 4.4 本章小结
• 5 离子浸渍法制备SOFC 阳极
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 YSZ 多孔层/YSZ 致密层复合基体的制备
• 5.2.2 多孔层与致密层的共烧结研究
• 5.2.3 SOFC 半电池的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 多孔层与致密层的共烧结分析
• 5.3.2 石墨的粒径对YSZ 多孔层微观结构的影响
• 5.3.3 粘结剂的种类对复合基体制备的影响研究
• 5.3.4 半电池多孔层的表征
• 5.4 本章小结
• 6 单电池的制备及性能表征
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 单电池的制备
• 6.2.2 阴极浆料的制备
• 6.2.3 单电池的制备
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 单电池
• 6.3.2 离子浸渍法制备阳极对单电池微观结构及性能的影响
• 6.3.3 硝化石墨的含量对单电池性能的影响
• 6.3.4 镍的浸渍量对单电池性能的影响
• 6.4 小结
• 7 络合物浸渍液制备阳极及其单电池性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验方法
• 7.2.1 浸渍液的制备
• 7.2.2 单电池的制备
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 丙酸-镍络合物浸渍液对浸渍速率的影响
• 7.3.2 丙酸-镍络合物浸渍液对多孔层晶相的影响
• 7.3.3 单电池电性能测试
• 7.4 小结
• 8 固体氧化物燃料电池中的阳极电化学过程数学模拟研究
• 8.1 引言
• 8.2 数学模型的建立
• 8.3 本章小结
• 9 结论
• 10 展望
• 致谢
• 参考文献
• 发表论文情况