液态锑阳极固体氧化物燃料电池阳极及电解质改性研究

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固体氧化物燃料电池(SOFC)是环境友好的电化学能源转换装置。传统的阳极支撑薄膜电解质型SOFC多利用气态燃料进行发电,对固态燃料的利用严重受限于其多孔结构的阳极。液态金属阳极SOFC采用液态金属或者合金作为阳极,对于燃料灰分及杂质具有十分优异的耐受性,且液态的阳极状态改善了其与固态燃料的接触方式,因而具有高效高速转化固体燃料的能力。Sb金属及其氧化物(Sb2O3)具有合适熔点温度,被证明适用于液态金属阳极SOFC。当前研究发现,SOFC在长期工作过程中,Sb液态金属阳极对于常用电解质的腐蚀现象使其寿命及应用受到极大限制。液态Sb阳极SOFC的OCV较使用气态燃料的电池也较低,理论电能转化效率较低,具有较大的能量退降。针对上述问题,本文首先探究800°C下,Fe-Sb合金作为液态阳极的可行性;其次对GDCF(添加少量Fe2O3的GDC)及YSZM(添加少量Mn O的YSZ)电解质的抗腐蚀性能以及长期运行稳定性进行了研究,探究少量氧化物提升电解质耐蚀性的机制。主要工作内容和成果如下:(1)首先,采用流延法制备YSZ电解质的半电池,在800°C下测试加入不同比例Fe元素(0wt.%、5wt.%、10wt.%)的Fe-Sb合金阳极的初期电化学性能变化,对测试后电解质表面形貌进行SEM以及相应区域的EDX元素分析。结果表明:适量Fe元素(5wt.%)加入Sb阳极不会持续影响电池的OCV,但加快了阳极的物质运输过程;过多的Fe元素(>10wt.%)加入,在放电过程中产生的Fe2O3会极大影响O2-输运过程,使得电池电化学性能明显下降。(2)首先制备添加不同比例Fe2O3(1mol.%、2mol.%和3mol.%)的GDCF电解质,分别在液态Sb/Sb2O3环境进行化学腐蚀测试,随后测试电解质在Sb环境下的电化学腐蚀行为。结果表明:在100 h的化学腐蚀测试中,GDCF-2(添加2mol.%Fe2O3的GDC)表现出最优的耐蚀性;在液态Sb和Sb2O3中,腐蚀层厚度分别为60μm和4μm;电化学测试腐蚀层厚度仅为相同条件下GDC电解质的2/5。结合SEM形貌及EPMA元素分析,GDCF-2电解质晶粒细小,单位体积内具有较长的晶界,使得Sb通过晶界渗入的路线更加曲折绵长,难以向电解质深层侵入,因而具有较强的耐蚀性。对电化学腐蚀各阶段的电化学阻抗谱进行拟合分析,发现欧姆电阻变化可有效监测电解质受腐蚀的情况。(3)针对液态阳极环境中YSZ电解质与GDC电解质的腐蚀机制差异,对YSZ电解质采取不同的方案以提升稳定性。制备添加2mol.%Mn O的YSZ电解质,测试电解质在液态Sb及Sb2O3环境中的稳定性,对测试后样品截面形貌进行SEM以及EDX元素分析。结果表明:Mn O的加入使YSZ晶粒尺寸显著增大,减少电解质表面的薄弱区域,使得Sb2O3对晶界的腐蚀更难进行,从而有效提升YSZ电解质的抗腐蚀性能。
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