固体氧化物燃料电池SDC/NiO阳极的结构调控与性能研究

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固体氧化物燃料电池(SOFCs)因其高的能量转换效率、零污染排放以及广泛的燃料适用性而备受关注,然而较高的制备成本、长时间运行的稳定性以及电极的极化损失等因素制约着其商业化应用。因此,进一步提高电池各组件性能,包括阳极性能是重要的研究方向。本文所研究的Ce0.8Sm0.2O2-?(SDC)/Ni O复合材料,是目前中低温燃料电池常用的阳极材料。本文以干压法与浸渍法为主要的制备方法,对阳极材料的烧结动力学、电学性能改性以及气体输运性能方面做了一定的探讨。本论文章节内容如下:第一章介绍了SOFCs的基本原理及发展情况,并综述了其关键材料、制备技术以及阳极的气体输运模型。第二章探究了SDC/Ni O阳极的烧结动力学的调控机制。研究了Ni O含量、Cu O助烧结剂以及石墨、淀粉与微晶纤维素等不同造孔剂这三方面因素对于阳极烧结的影响。研究发现改变SDC/Ni O两相配比能比较明显调节收缩行为,但在所选取的SDC/Ni O配比范围内,复合阳极的烧结收缩特性随着Ni O含量的增加反而更靠近SDC的烧结特性。此现象的机制可以通过阳极两相骨架结构与气孔分布进行解释。极少量的Cu O掺杂(0.05mol%),也能比较明显的改变阳极的烧结。淀粉与微晶纤维素造孔剂对阳极烧结收缩特性影响较小,其中微晶纤维素的脱胶过程相对比淀粉缓和,有利于防止脱胶过程中阳极的尺寸突变与开裂。石墨造孔剂在低温段的热膨胀效应明显,过多的添加量会导致阳极开裂,破坏力学强度。第三章研究使用浸渍方法制备SDC/Ni O阳极。探究了阳极SDC骨架结构以及Ni(NO32浸渍液对SDC骨架的润湿性这两点因素对于浸渍阳极性能的影响。采用固相法与草酸盐共沉淀法两种不同SDC粉体以及淀粉与微晶纤维素两种不同造孔剂得到了结构差距较大的骨架,通过浸渍发现,草酸盐共沉淀法制备的SDC骨架通过增加孔分散性,而微晶纤维素造孔剂通过增加孔的均匀性来提升阳极电导率。通过添加十二烷基苯磺酸钠(SDBS)以及十二烷基硫酸钠(SDS)能提升浸渍液的润湿性,并改善浸渍后镍颗粒在骨架上的分散性,但镍颗粒仍然较大,在实验范围内阳极电导率并未提升。第四章针对阳极的气体输运性能分析及制备直孔阳极模板的方法做了研究。我们首先提出了一种比较简便的估算阳极曲折因子的方法,该方法通过将SEM与泡点仪得到的孔径分布做对比计算得出,测试结果与文献有很好的吻合性。同时,也进行了使用椰肉作为制备直孔阳极的生物模板的尝试,发现煅烧后的椰肉形成良好的直孔结构,在阳极的模板制备方面有潜在的应用价值。
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