固体氧化物燃料电池阴极电流收集的研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是具有全固态的电化学发电装置,普遍被认为是会得到广泛应用的一种燃料电池。降低操作温度是SOFC的一个重要的研究方向,它能降低电池的制作成本。然而操作温度的降低,会使阴极的电化学活性变低,极化电阻增大。如何降低阴极上的极化损失,是本文主要工作之一。本文测量了不同混合比例的LSM-YSZ复合阴极的电导率和极化电阻;结果发现复合阴极的电导率随LSM含量的增加而增大,当复合阴极中含50wt.%LSM时,极化电阻最小。烧结温度对复合阴极的微观形貌和性能也有很大影响;通过实验对经不同温度烧结后的复合阴极的电导率进行测量,结果发现随着烧结温度的降低,复合阴极的电导率变小;通过SEM可以看到1150℃烧结的复合阴极具有较均匀的结构。不同的烧结条件对LSM集流层的性能有很大的影响;通过实验发现在1150℃烧结2个小时的LSM集流层具有较高的电导率,均匀的微观结构和较大的孔隙率,能很好的进行复合阴极上的电流收集的作用。LSC集流层的电导率比LSM高很多,但实验过程中LSC很容易发生脱落现象,性能不稳定;采用LSM与LSC共烧的双层集流层,能增强LSC与LSM之间的接触,明显的改善阴极上的集流效果。在SOFC堆中,电池的性能不但受阴极/电解质界面的影响,同时也受集流件与阴极之间的界面的影响。为了降低阴极与集流件之间的接触电阻,在实验中使用LSM接触材料来提高电接触,从而降低电池堆的欧姆损失。作为接触材料的LSM,热膨胀系数与阴极匹配,兼容性好;在长时间内能够保证阴极与集流件之间的电接触,具有很好的稳定性。为了有效改善电池堆组件间的电接触,优化电池堆的结构;对与电池堆相关的一些电阻（或电导率）进行了测量。通过实验测量了铁素体不锈钢（0Cr21Al4和0Cr21Al6）,奥氏体不锈钢管（SUS 316型）的电导率（或电阻）和一些电池组件间的界面电阻;最后对不锈钢支撑体上的电阻分布和电池堆内的气压的分布进行了测量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池
• 1.2 固体氧化物燃料电池
• 1.2.1 固体氧化物燃料电池的原理
• 1.2.2 固体氧化物燃料电池的优点
• 1.2.3 固体氧化物燃料电池的结构
• 1.3 SOFC 的电极极化
• 1.3.1 欧姆极化
• 1.3.2 浓差极化
• 1.3.3 活化极化
• 1.4 SOFC 的阴极上的反应原理
• 1.5 固体氧化物燃料电池的材料选择
• 1.5.1 阳极材料选择
• 1.5.2 电解质材料选择
• 1.5.3 阴极材料选择
• 1.5.4 连接体材料选择
• 1.6 中温固体氧化物燃料电池阴极的研究
• 1.6.1 LSM-YSZ 复合阴极的性能研究
• 1.6.2 阴极集流层的性能研究
• 参考文献
• 第2章 SOFC 复合阴极性能的优化
• 2.1 引言
• 2.2 实验设计
• 2.3 不同质量比LSM-YSZ 复合阴极的性能
• 2.4 不同烧结温度对LSM-YSZ 复合阴极性能的影响
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第3章 SOFC 阴极集流层性能的优化
• 3.1 引言
• 3.2 实验设计
• 3.3 烧结温度对LSM 集流层性能的影响
• 3.4 烧结时间对LSM 集流层性能的影响
• 3.5 LSC 集流层的研究
• 3.6 LSM-LSC 双层集流层的研究
• 3.7 阴极集流层厚度实验
• 3.8 本章小结
• 参考文献
• 第4章 SOFC 阴极接触层性能的优化
• 4.1 引言
• 4.2 多孔接触材料的电导率测量
• 4.2.1 实验设计
• 4.2.2 未烧结多孔LSC 电导率实验
• 0.85R_0.2MNO₃电导率实验'>4.2.3 未烧结多孔LA_0.85R_0.2MNO₃电导率实验
• 0.85R_0.2MNO₃'>4.2.3.1 柠檬酸法制备的LA_0.85R_0.2MNO₃
• 0.85R_0.2MNO₃（NEXTECH MATERIALS, USA）接触材料'>4.2.3.2 LA_0.85R_0.2MNO₃（NEXTECH MATERIALS, USA）接触材料
• 0.85R_0.2MNO₃（NEXTECH MATERIALS, USA）'>4.2.3.3 预烧后的LA_0.85R_0.2MNO₃（NEXTECH MATERIALS, USA）
• 4.3 阴极接触层的电导率测量
• 4.3.1 实验设计
• 4.3.2 LSC 接触层的电导率
• 4.3.3 LSM 接触层的电导率
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第5章 SOFC 电池组件的电学研究
• 5.1 引言
• 5.2 铁素体不锈钢的电导率测量
• 5.2.1 实验设计
• 5.2.2 不锈钢的电导率温度曲线
• 5.3 不锈钢管的电阻测量
• 5.3.1 实验设计
• 5.3.2 不锈钢管电阻温度曲线
• 5.4 蜂巢式电池堆支撑体电阻的分布
• 5.4.1 实验设计
• 5.4.2 电池堆支撑体电阻的分布
• 5.5 阴极集流件的研究进展
• 5.5.1 实验设计
• 5.5.2 阴极集流件的界面电阻
• 5.5.3 阴极集流件与LSC 的界面电阻
• 5.5.4 阴极集流件与阴极的接触电阻
• 5.5.5 阴极集流件的改进
• 5.6 银胶与银铜焊料的高温电学性能
• 5.6.1 银胶的高温电学性能
• 5.6.2 银铜焊料与不锈钢的界面电阻
• 5.7 不锈钢的高温抗氧化导电涂层
• 5.7.1 不锈钢的YSZ 保护膜
• 5.7.2 不锈钢的 Ti/ZnO 保护层
• 5.8 本章小结
• 参考文献
• 第6章 电池堆气压分布实验
• 6.1 引言
• 6.2 实验设计
• 6.3 SOFC 堆内的气压分布
• 攻读学位期间论文发表情况
• 致谢