固体氧化物燃料电池铜基阳极的性能研究

【摘要】： 固体氧化物燃料电池(SOFC)能高效地将化学能转变成电能。目前发展最成熟的Ni/YSZ阳极使用烃类燃料的主要问题是Ni对碳沉积的催化作用破坏了电池的性能。Cu基阳极因对积碳无催化效果,被作为替换方案提出。 本文采用浸渍法在多孔YSZ骨架中制备了Cu/YSZ阳极,研究了有机物造孔法和酸洗除Ni造孔法制备致密YSZ//多孔YSZ阳极基体,发现后者制备的阳极基体有70%的孔隙率和足够的机械强度,能更好地满足浸渍的要求。浸渍得到的Cu在阳极中分布比较均匀,但仍有一定的团聚现象。阳极电导率随浸渍量急剧增大,例如,Cu含量为4vol.%时Cu/YSZ阳极的电导率为1Scm~(-1),而含量增大为21vol.%时电导率上升为4800Scm~(-1)。通过微观形貌和有效导通比c的研究发现,浸渍得到的Cu在阳极内部并不一定为连续导通状态,且高温时Cu的烧结会降低阳极电导率。研究了Cu含量对电池性能的影响,结果显示增加Cu含量可以提高阳极电导率和三相反应区密度,进而提高电池性能,但过量浸渍对性能并没有帮助。长期运行后,电池获得稳定的输出功率,700℃氢气条件下的最大输出功率(MPD)为200mWcm~(-2)。 为改善Cu/YSZ阳极,引入CeO_2作催化剂。阻抗谱分析表明加入CeO_2后阳极极化电阻减小为原来的30%,输出功率提高了150%。EDX测试和阳极电导特性研究发现,CeO_2除作催化剂外,实际还起到了隔离CuO的分散剂作用。它提高了阳极电导率以及电导率的烧结稳定性。通过对浸渍总量的研究发现,最佳浸渍量由TPB密度的增加和孔隙率的减少之间的竞争关系决定。改变CeO_2在浸渍物中所占比例,CeO_2含量较高的阳极性能有明显优势。经过综合优化,以Cu-CeO_2/YSZ为阳极的电池在700℃,氢气中的MPD为336mWcm~(-2) ,性能先进。 为改进阳极的微观结构,往浸渍溶液中加入尿素。借助尿素的热解反应改变浸渍物的形成方式,使得热处理后得到Cu(OH)_2和Ce(OH)_3沉淀而不是析出Cu(NO_3)_2和Ce(NO)_3晶体。它解决了硝酸盐结晶团聚的问题,以这种方式得到的Cu和CeO_2更均匀地分布在阳极。加尿素浸渍的Cu-CeO_2/YSZ复合阳极电池性能比不加尿素的提高了37%。 电池使用甲烷燃料时的输出性能比使用氢气时低,700和750℃的MPD分别为140和180mWcm~(-2)。长期测试后电池阳极无碳沉积出现,在甲烷上稳定性较好。在火焰燃料电池的实验中,电池的MPD在LPG火焰上取得的最大值为80mWcm~(-2),在酒精火焰上则高达200mWcm~(-2)。电池的氧化还原循环测试表明Cu-CeO_2/YSZ阳极具有良好的氧化还原稳定性。长期测试过程后阳极表层有积碳现象,影响了电池的稳定性。 总之,本文在成功制备多孔阳极骨架的基础上,系统研究了浸渍法制备Cu阳极的结构、形貌与性能,较深入讨论了CeO_2对Cu/YSZ阳极的影响,并通过使用尿素沉淀剂进一步提高了电池性能,最后还研究了电池在烃类燃料上的应用。