SOFC阳极支撑体孔隙形貌控制与电化学性能影响研究

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固体氧化物燃料电池(SOFC)由于其高能量转换效率和燃料选择的灵活性,拥有很好的应用前景。SOFC的电化学损耗包括活化,欧姆和浓差极化三部分,平板式阳极支撑型SOFC的电解质很薄,有效降低了欧姆极化,电极材料的优化也能降低活化极化,而在高电流密度与高燃料利用率的情况下,浓差极化会显著限制电池的功率输出。浓差极化收到气体传输速度的影响,厚度在300μm至1 mm的阳极支撑体是浓差极化的主要来源,其气体传输性能与微观结构息息相关。本文使用流延成型工艺,根据造孔剂与截面孔隙形貌不同得到淀粉(扁)、淀粉(圆)和碳粉三组支撑体,运用图像处理方法对各组截面形貌图像进行分割,从中提取形貌信息。各组孔隙率21.15%、20.46%、20.79%基本保持在同一水平。孔隙圆度分别为2.49、1.53、1.79,淀粉(扁)组孔隙截面偏离圆形较大。孔隙的等效直径平均为4.26、6.89和1.30μm,淀粉(圆)组最大,碳粉组最小;各组孔隙的平均孔间距为1.08、2.55、0.41μm,推测连通性碳粉组最佳,淀粉(圆)组最差。且在孔径和孔间距分布集中性、孔隙分布均匀性方面均为碳粉组最佳,淀粉(圆)组最差。本文搭建支撑体气体传输性能测试装置,以氢气为测试气体对各组支撑体进行测试,计算得到各组支撑体中氢气的扩散系数。结果显示支撑体还原前后,均是淀粉(圆)组氢气扩散系数最小,还原前基本为0,还原后也仅为淀粉(扁)组的40%;而碳粉组结果最佳,还原前后其氢气扩散系数均达到淀粉(扁)组的250%。在各组支撑体基础上制备的Ni-YSZ/YSZ/Pd-YSZ全电池进行了电化学性能测试。淀粉(扁)组、淀粉(圆)组和碳粉组的最大功率密度分别为537.67、358.64、803.11 m W/cm~2,极化阻抗分别为0.96、2.35、0.85Ω·cm~2,且DRT分析显示三组燃料气传输过程影响对应的等效阻抗分别为0.13、0.20、0.07Ω·cm~2,均为淀粉(圆)组弱于淀粉(扁)组弱于碳粉组,与各组支撑体的气体传输能力相对应。建立孔隙率α,边长L的支撑体单元模型,分析得到中心孔径d=√αL时的孔隙结构最优,而过大的中心孔径以及孔隙的扁平化对扩散有负面影响。因此在阳极支撑体造孔时,需要避免孔隙颗粒的扁平化,孔隙大小尽量统一,提高孔隙分布均匀性,同时在有限孔隙率条件下使用与陶瓷粉体颗粒相近或更小的造孔剂,以平衡中心孔洞与孔隙连接通道的比例,保证足够的孔隙连通性,获得最佳的孔隙结构,得到能够作为气体扩散通道的有效孔隙。
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