论文部分内容阅读
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型的发电装置,具有全固态操作、使用更加安全可靠、产物清洁无污染和能量转化效率高等优点,拥有广阔应用前景。SOFC的Ni基阳极具有诸多优点,如对氢气、碳氢等燃料具有较好的催化活性,具有高的电子导电性,目前以金属Ni和氧化钇稳定氧化锆(YSZ)组成的Ni-YSZ金属陶瓷复合阳极材料已得到了实际应用。但是,在实际使用SOFC时,Ni基阳极在特定工作状态下的长期运行稳定性仍是一个值得关注的重要问题。本文主要研究了Ni-YSZ阳极支撑型电池在启动和长期运行过程中的性能演变规律,分析温度、电流密度、水分压对Ni-YSZ阳极长期运行中性能的影响,探究非稳态环境对Ni-YSZ阳极和电池运行的影响,研究还原条件对Ni-YSZ阳极的影响规律,结合弛豫时间分布(DRT)技术进行阻抗谱分析,开展Ni-YSZ衰退过程的机理分析。首先,对企业生产的以Ni-YSZ为阳极支撑体、致密的YSZ膜作为电解质、以Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC)作为阴极缓冲层、以La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF)作为阴极的Ni-YSZ|YSZ|GDC|LSCF结构全电池进行封装和测试。分别了测试其在不同运行温度(750℃、800℃、850℃)下的放电曲线、计时电位曲线和交流阻抗谱,研究在长期运行中温度对其性能的影响,并进行机理分析。测试了以不同电流密度长期放电过程中的电化学性能,探究电流密度对其稳定性的影响。探究了阳极处于20%水分压环境中长期运行后Ni-YSZ阳极微观结构的改变。研究表明,在较高温度下运行时,电池输出性能更高,但长期运行衰退的较快;当电流密度较大时输出电压较低;在含20%水的环境下运行其微观结构会变差,原因在于在较高水分压下会导致Ni的粗化迁移以及Ni损失。其次,探究了处于非稳态环境下对Ni-YSZ阳极性能的影响。采用四线制测量Ni-YSZ阳极样品在还原气氛中的电阻;对还原后的Ni-YSZ进行BET法比表面积和孔径测试,探究Ni-YSZ阳极在多次温度变化、多次氧化还原循环对其电导率的影响。研究不同还原过程对Ni-YSZ性能的影响,研究了不同流速下、不同还原温度下的直流电性能,探究不同还原温度下对Ni-YSZ长期运行的影响。研究结果表明,处于非稳态的环境下(温度反复变化、多次氧化还原)会引起电池性能的明显衰退;较大的氢气流速时还原速率较快且阳极性能更好;在700℃下还原性能优于800℃。最后,开展了Ni-YSZ阳极阻抗谱的弛豫时间分布(DRT)数据分析,对DRT数据进行多峰拟合,对峰面积进行得到各个反应区的极化阻抗,通过特征频率的计算以及阻抗差异分析得到阳极电化学反应区的极化阻抗,并对其极化阻抗的变化情况进行分析。研究不同温度、不同电压下的阻抗谱,分析其差异。