本文關鍵詞：電解質(zhì)自支撐的直接碳固體氧化物燃料電池的研制

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【摘要】：直接碳固體氧化物燃料電池(DC-SOFC)是一種直接以固體碳為燃料的、全固態(tài)結構的電化學發(fā)電裝置。該裝置在清潔利用煤炭方面具有顯著的優(yōu)勢,因此其研究和應用受到了各國研究者的關注和重視。目前,DC-SOFC的研究已取得很多的進展,但在小型應用方面還有一些問題需要解決,如:合適電極材料的選擇以及便攜式電堆的研制等。加之片式YSZ電解質(zhì)支撐體因制備工藝簡單、強度高、且成本低廉等,多被用于SOFC的研究。為此,本論文以片式YSZ電解質(zhì)支撐體為基礎,圍繞DC-SOFC電極材料的選擇以及便攜式DC-SOFC電堆的研制等內(nèi)容進行了一系列的研究。電極材料直接決定電池性能的優(yōu)劣,因而選擇一種合適的電極材料對制備高性能的電池而言是很有必要的。針對采用Ni-YSZ為陽極時,DC-SOFC會出現(xiàn)積碳現(xiàn)象;采用LSM-YSZ為陰極時,DC-SOFC性能不高等問題,選用了Ag-GDC作為電池的陽極與陰極材料,組裝成YSZ支撐的、結構為Ag-GDC/YSZ/Ag-GDC(Ag-GDC為陰極)的SOFC后,先后采用加濕H2、負載Fe的活性炭為燃料對其進行電化學性能測試,并將該電池的性能與結構為Ag-GDC/YSZ/LSM-YSZ(LSM-YSZ為陰極)的SOFC進行對比。結果表明,結構為Ag-GDC/YSZ/Ag-GDC的SOFC在進行直接碳測試時表現(xiàn)出較好的輸出性能,825?C時電池的最大功率密度為265 mW cm-2,約是結構為Ag-GDC/YSZ/LSM-YSZ的SOFC最大功率密度的1.4倍。除此之外,Ag-GDC作為DC-SOFC的陽極材料時不用還原,又不存在積碳問題,而且制備簡單,因此Ag-GDC是一種合適的DC-SOFC電極材料。為了推動DC-SOFC在小型應用方面的進程,采用流延法制備了一種長度約5.5 cm、寬度約2.8 cm、厚度約0.5 mm、開孔直徑為1 mm的YSZ電解質(zhì)支撐體,并以此為基片制備電解質(zhì)自支撐的DC-SOFC電堆。根據(jù)開孔的位置在基片兩側有序地涂刷Ag-GDC,每個電極的區(qū)域均為20 mm?5 mm;接著使用銀導電膠作為連接材料,通過堵塞小孔將基片兩側的陰極與陽極串聯(lián)起來;然后采用負載Fe的活性炭作為燃料、氧化鋁陶瓷舟作為燃料載體進行組裝、密封,即制得了有效面積為4 cm2的電解質(zhì)自支撐的DC-SOFC電堆;最后采用四電極法對其進行不同溫度下的電化學性能測試。結果表明,隨著溫度的升高,該電堆的開路電壓和最大功率密度均是逐漸升高的,820?C時開路電壓為3.8 V、最大功率密度為170 mW cm-2、最大輸出為680 mW;該電堆的總電阻和歐姆電阻均是逐漸降低的,820?C時總電阻為24Ωcm2、歐姆電阻為15Ωcm2,這種變化趨勢與單個DC-SOFC的變化趨勢是一致的。820?C時,選取0.15 A的放電電流對DC-SOFC電堆進行穩(wěn)定性測試,發(fā)現(xiàn)該電堆在2.8 V左右的電壓下可穩(wěn)定運行15 h,且測試完成后觀察到該裝置比較完整、無明顯裂縫,這說明了電解質(zhì)自支撐的DC-SOFC電堆在小型應用方面具有一定的可行性。最后采用流延法制備了兩個直徑約3.2 cm、厚度約0.5 mm的圓片狀YSZ電解質(zhì)支撐體,采用涂刷法在支撐體兩側制備了直徑約1.3 cm的圓形Ag-GDC電極,即制備了兩個同樣規(guī)格且結構為Ag-GDC/YSZ/Ag-GDC的SOFCs。采用負載鐵的活性炭作為燃料,石英管作為燃料載體,組裝了兩節(jié)串聯(lián)的DC-SOFC電堆,通過進行電化學性能測試,發(fā)現(xiàn)其開路電壓和最大輸出均隨溫度的升高而升高,800?C時該電堆的開路電壓為2.1 V、最大輸出為1.1 W。由此說明該裝置的氣密性良好,且工作原理與單個DC-SOFC的是相同的,所以該裝置也具有一定的可行性。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.4

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