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h2/co为燃料的中温固体氧化物燃料电池Ni基阳极制备及改性研究

H2/CO为燃料的中温固体氧化物燃料电池Ni基阳极制备及改性研究

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作者：于雯珺哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种高能量转化效率、高燃料灵活性、低污染的环境友好型电力发电系统,越发引起世界各国的关注。h/co混合气是燃料电池主要的反应活性气体,因此研究h/co比例组成等对阳极性能的影响十分必要。Ni基阳极凭借... 详细信息

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种高能量转化效率、高燃料灵活性、低污染的环境友好型电力发电系统,越发引起世界各国的关注。h/co混合气是燃料电池主要的反应活性气体,因此研究h/co比例组成等对阳极性能的影响十分必要。Ni基阳极凭借高催化活性、高输出性能一直受到青睐,但易团聚、易积碳的问题是Ni基阳极燃料电池广泛应用的重要障碍,因此选择Ni基阳极进行改性。本文详细探索了电解质支撑Ni-YSZ/SSZ/LSM单电池的制备工艺;并系统地研究了以h/co燃料气对Ni基阳极电池性能的影响;并通过掺杂Fe/Cu/Mg等金属对Ni基阳极进行改性,以期改善电池的输出性能及抗积碳性能。本文主要包括以下三部分内容:(1)采用流延法制备SSZ电解质,丝网印刷法涂覆电极材料,确定了优化的Ni-YSZ阳极制备的关键工艺参数:NiO:YSZ(mass%)为6:4,纳米NiO:微米NiO颗粒(mass%)为1:1,造孔剂:活性物质(mass%)为3:20,烧结温度为1350℃,最终得到表面平整无裂纹,结构均匀的阳极。(2)探索了电池的输出性能的影响因素,发现电池输出性能与温度、阳极进气流量及h/co比呈正相关,与稀释气N浓度呈负相关。当h/co进气比例为3:1时电池功率特性和稳定性最好。综合放电性能、安全性等因素,得到最佳工艺条件为:工作温度800℃,阳极进气流量为250mL/min,N浓度20%,h/co比例为3:1。(3)研究了高温固相法制备的NiFe-YSZ(x=0.15,0.2,0.25,0.3)、NiCu-YSZ(x=0.05,0.1,0.15,0.2)双金属阳极单电池、NiCuMg-YSZ(x=0.005,0.01)三金属阳极单电池,表征其微观结构和性能。分析结果表明:向Ni-YSZ阳极材料掺杂Fe/Cu/Mg后,可有效抑制阳极金属相晶粒的粗化,并未对阳极材料的热膨胀特性产生明显的不利影响,有效提高材料的电导率,降低电池的极化阻抗,提高放电功率的同时显著改善了电池的长期稳定性和抗积碳性能。其中NiCu-YSZ阳极电池的电化学性能最好,最大功率密度可达到310.1mW/cm。

关键词：中温固体氧化物燃料电池 h2/co燃料气 Ni基阳极抗积碳

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