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质子型H_2S固体氧化物燃料电池的性能研究

冯凤  
【摘要】: 实验制备了适用于中温固体氧化物燃料电池的阴极和电解质,并组装成单体电池,用20%H_2S和80%N_2混合气体作燃料气,研究了电池的电性能以及阳极室中H_2S的反应特性。 采用尿素-硝酸盐燃烧法制备了3种钙钛矿型阴极前驱体粉末,分别记作LSCF1、LSCF2和LSCF3。在400℃~850℃内,3种阴极试样的电导率均随温度的升高而增大,850℃时达到最大值,之后随温度升高而降低。3种阴极试样的电导率大小顺序为LSCF2>LSCF1>LSCF3,850℃时,其电导率依次为150.68S·cm~(-1)、89.26S·cm~(-1)和46.24S·cm~(-1)。 采用尿素-硝酸盐燃烧法制备了3种钙钛矿型固体电解质,分别记作BCZY、CCZY和SCZY。在500℃~950℃范围内,随着温度的升高,3种电解质的电导率均呈增大趋势。3种电解质的电导率大小顺序为BCZY>SCZY>CCZY。在500℃~750℃的中温范围,BCZY的电导率最高可达到10~(-2)S·cm~(-1)以上。水蒸气浓差电池的电动势测试结果表明,3种钙钛矿型电解质是质子导体。 以BCZY为电解质,溶胶凝胶法制备的钴钼双元硫化物为阳极催化剂,LSCF2为阴极,组装了单体H_2S固体氧化物燃料电池,对电池电输出性能进行实验研究。结果表明,单电池的输出电压随着电流密度的增大而逐渐减小;欧姆极化是电池电压损失的主要原因;升高温度后,电池电输出性能有所改善。常压下,燃料气流量为80mL·min~(-1)时,600℃和800℃下电池的开路电压分别为0.55V和0.72V,最大电流密度分别为13.00mA·cm~(-2)和35.93mA·cm~(-2),最大输出功率分别为1.93mW·cm~(-2)和5.61mW·cm~(-2)。 通过分析阳极室中成分,证实质子型H_2S固体氧化物燃料电池的主要产物是H_2O和单质S。H_2S的直接电化学转化,是阳极室的主要反应:H_2S热分解为S和H_2、H_2再发生电化学转化的连续反应是与其平行存在的副反应。燃料气中H_2S脱除率随着温度的升高而增大。


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