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阳极负载新型复合电解质中温固体氧化物燃料电池的研制及其性能研究

毕忠合  
【摘要】:阳极负载电解质薄膜电池是近年来中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)研究的热点之一。本文研究发现La_(0.45)Ce_(0.55)O_(1.775) ( LDC ) 与La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(2.85)(LSGM)有良好的化学相容性,可用作复合中温电解质。首次制备了阳极负载LDC-LSGM双层电解质型电池,其中LDC 层隔绝了NiO 与LSGM 的高温反应,LSGM 阻隔了LDC 的电子电导。电池以La0.6Sr0.4CoO3(LSC)为阴极时,因LSC 中Co 元素的高温扩散导致LSGM电解质的电导率和氧离子传递系数变化,LSGM 层的厚度影响电池的开路电压。当LSGM层厚度大于50 μm时,开路电压受Co元素扩散影响减弱,800oC时达到1.0 V以上。LDC 层厚度增加不能提高开路电压。在800℃的电池中,LDC 的电导率约为0.117 S/cm;LSGM 的电导率与厚度有关,小于50 μm时约为1.9 S/cm,100 ~200 μm之间时约为0.22 S/cm。LSGM 层的厚度为75 μm的双层电解质电池获得较为理想的开路电压和最大功率密度。考察了高混合导体LSC 和LDC 构成的复合阴极性能,发现LDC 抑制了LSC 的烧结,增大了三相反应界面,降低了极化电阻。同时,LDC 还抑制了阴极的Co向LSGM扩散。LDC 含量为50 wt. % 的复合阴极的极化电阻最小。采用Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_3(SSC)为阴极可以实现开路电压在112 h内基本稳定在1.045 V。 本论文还考察了直接甲醇在Gd_(0.1)Ce_(0.9)O_(1.95)(GDC)+Ni阳极上的性能。研究发现溶液中甲醇的体积比大于70%时,反应受热力学平衡控制而使阳极积炭,电池大电流工作有利于抑制积炭。


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