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中国稀土学报 2015年第6期33卷 724-730页

作者：苑莉莉蔡位子张亚鹏于方永余亮刘江华南理工大学化学与化工学院广东省燃料电池技术重点实验室广东广州510640 华南理工大学环境与能源学院新能源研究所广东广州510006

制备了ag与Gd掺杂的氧化铈(gdc)复合的电极材料。采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质,ag-gdc为阴极和阳极,组装成固体氧化物燃料电池(SOFC),采用担载5%(质量分数)Fe的活性炭为SOFC的燃料,对此直接碳SOFC(DC-SOFC)的输出性能及阻抗谱... 详细信息

制备了ag与Gd掺杂的氧化铈(gdc)复合的电极材料。采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质,ag-gdc为阴极和阳极,组装成固体氧化物燃料电池(SOFC),采用担载5%(质量分数)Fe的活性炭为SOFC的燃料,对此直接碳SOFC(DC-SOFC)的输出性能及阻抗谱进行测试,并与采用传统阴极(掺Sr的锰酸镧与YSZ的复合材料)的DC-SOFC性能进行了比较,发现ag-gdc具有更好的性能。采用扫描电镜(SEM)对电池的微观结构进行了分析,并就其对电池性能的影响进行了分析。

关键词：固体氧化物燃料电池 ag-gdc LSM-YSZ 活性炭稀土

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银基陶瓷复合电极的电性能及其在固体氧化物燃料电池中的应用研究

银基陶瓷复合电极的电性能及其在固体氧化物燃料电池中的应用研究

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作者：余亮华南理工大学

学位级别：硕士

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种能够直接将燃料中的化学能转化为电能的发电装置,具有电转换效率高、对环境友好、燃料适应性广及寿命长等优点,被公认为是具有良好发展前景的新型发电技术。SOFC的电极材料对SOFC的性能具有重要的影响... 详细信息

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种能够直接将燃料中的化学能转化为电能的发电装置,具有电转换效率高、对环境友好、燃料适应性广及寿命长等优点,被公认为是具有良好发展前景的新型发电技术。SOFC的电极材料对SOFC的性能具有重要的影响。传统的SOFC采用镍基阳极和掺杂锰酸镧复合阴极,但镍基阳极在使用含碳燃料时会因为促进积炭而降低电池性能,锰酸镧阴极的氧还原能力也不够强,特别是在温度降低时,阴极极化电阻将显著增大,从而严重影响电池的输出性能。针对传统电极存在的问题,本论文研究了银基陶瓷复合材料作为SOFC的阴极和阳极的性能。首先采用传统YSZ电解质,分别采用不同ag比例的ag-YSZ和ag-gdc为电极材料,制备对称电极,在空气中对其进行了交流阻抗谱测试,分别选出ag-YSZ和ag-gdc电极的最佳成分比;结合相应电极材料组装成的SOFC电化学性能测试结果,区分出阴极和阳极的极化电阻,并对实验结果进行了讨论和分析。结果表明,在相同的ag含量(质量比)时,ag-YSZ在空气下的极化阻抗普遍小于ag-gdc,且当ag的含量为65%时,ag-YSZ(65ag-YSZ)在空气中的极化阻抗最低,而ag-gdc在空气中的最低极化阻抗时的ag含量是70%(70ag-gdc)。分别采用65ag-YSZ(ag的质量百分数为65%)和70ag-gdc(ag的质量百分数为70%)为电极制备SOFC单电池并使用加湿氢气(3 vol.%H2O)为燃料进行测试。800?C时,采用65ag-YSZ和70ag-gdc既作为阴极又作为阳极的电池,前者的开路电压和最大功率密度分别为1.08 V和200mW·cm-2,后者的分别为1.09 V和214 mW·cm-2。采用阻抗谱测试和分析结果表明,虽然在空气气氛中ag-YSZ的极化电阻比ag-gdc低,但在加湿氢气中,ag-gdc的极化电阻比ag-YSZ低,说明ag-YSZ更适合用作阴极,而ag-gdc更适合用作阳极。在上述研究基础上,研究了银基陶瓷复合电极用于直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)的性能。用65ag-gdc作为DC-SOFC的阳极,65ag-YSZ作为其阴极,830?C测试温度下,其最大输出功率密度能达到39 m W·cm-2,比传统NiO-YSZ阳极的性能要优越许多。结果表明,采用ag-gdc复合电极材料能够有效地提高电池的输出性能。

关键词：固体氧化物燃料电池 ag-gdc ag-YSZ 活性炭电化学性能

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电解质自支撑的直接碳固体氧化物燃料电池的研制

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作者：苑莉莉华南理工大学

学位级别：硕士

直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)是一种直接以固体碳为燃料的、全固态结构的电化学发电装置。该装置在清洁利用煤炭方面具有显著的优势,因此其研究和应用受到了各国研究者的关注和重视。目前,DC-SOFC的研究已取得很多的进展,但在小... 详细信息

直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)是一种直接以固体碳为燃料的、全固态结构的电化学发电装置。该装置在清洁利用煤炭方面具有显著的优势,因此其研究和应用受到了各国研究者的关注和重视。目前,DC-SOFC的研究已取得很多的进展,但在小型应用方面还有一些问题需要解决,如:合适电极材料的选择以及便携式电堆的研制等。加之片式YSZ电解质支撑体因制备工艺简单、强度高、且成本低廉等,多被用于SOFC的研究。为此,本论文以片式YSZ电解质支撑体为基础,围绕DC-SOFC电极材料的选择以及便携式DC-SOFC电堆的研制等内容进行了一系列的研究。电极材料直接决定电池性能的优劣,因而选择一种合适的电极材料对制备高性能的电池而言是很有必要的。针对采用Ni-YSZ为阳极时,DC-SOFC会出现积碳现象;采用LSM-YSZ为阴极时,DC-SOFC性能不高等问题,选用了ag-gdc作为电池的阳极与阴极材料,组装成YSZ支撑的、结构为ag-gdc/YSZ/ag-gdc(ag-gdc为阴极)的SOFC后,先后采用加湿H2、负载Fe的活性炭为燃料对其进行电化学性能测试,并将该电池的性能与结构为ag-gdc/YSZ/LSM-YSZ(LSM-YSZ为阴极)的SOFC进行对比。结果表明,结构为ag-gdc/YSZ/ag-gdc的SOFC在进行直接碳测试时表现出较好的输出性能,825?C时电池的最大功率密度为265 mW cm-2,约是结构为ag-gdc/YSZ/LSM-YSZ的SOFC最大功率密度的1.4倍。除此之外,ag-gdc作为DC-SOFC的阳极材料时不用还原,又不存在积碳问题,而且制备简单,因此ag-gdc是一种合适的DC-SOFC电极材料。为了推动DC-SOFC在小型应用方面的进程,采用流延法制备了一种长度约5.5 cm、宽度约2.8 cm、厚度约0.5 mm、开孔直径为1 mm的YSZ电解质支撑体,并以此为基片制备电解质自支撑的DC-SOFC电堆。根据开孔的位置在基片两侧有序地涂刷ag-gdc,每个电极的区域均为20 mm?5 mm;接着使用银导电胶作为连接材料,通过堵塞小孔将基片两侧的阴极与阳极串联起来;然后采用负载Fe的活性炭作为燃料、氧化铝陶瓷舟作为燃料载体进行组装、密封,即制得了有效面积为4 cm2的电解质自支撑的DC-SOFC电堆;最后采用四电极法对其进行不同温度下的电化学性能测试。结果表明,随着温度的升高,该电堆的开路电压和最大功率密度均是逐渐升高的,820?C时开路电压为3.8 V、最大功率密度为170 mW cm-2、最大输出为680 mW;该电堆的总电阻和欧姆电阻均是逐渐降低的,820?C时总电阻为24Ωcm2、欧姆电阻为15Ωcm2,这种变化趋势与单个DC-SOFC的变化趋势是一致的。820?C时,选取0.15 A的放电电流对DC-SOFC电堆进行稳定性测试,发现该电堆在2.8 V左右的电压下可稳定运行15 h,且测试完成后观察到该装置比较完整、无明显裂缝,这说明了电解质自支撑的DC-SOFC电堆在小型应用方面具有一定的可行性。最后采用流延法制备了两个直径约3.2 cm、厚度约0.5 mm的圆片状YSZ电解质支撑体,采用涂刷法在支撑体两侧制备了直径约1.3 cm的圆形ag-gdc电极,即制备了两个同样规格且结构为ag-gdc/YSZ/ag-gdc的SOFCs。采用负载铁的活性炭作为燃料,石英管作为燃料载体,组装了两节串联的DC-SOFC电堆,通过进行电化学性能测试,发现其开路电压和最大输出均随温度的升高而升高,800?C时该电堆的开路电压为2.1 V、最大输出为1.1 W。由此说明该装置的气密性良好,且工作原理与单个DC-SOFC的是相同的,所以该装置也具有一定的可行性。

关键词：直接碳固体氧化物燃料电池 ag-gdc 电解质自支撑电堆

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