《固體氧化物燃料電池納米電極的穩定機制研究》是依託哈爾濱工業大學，由張耀輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：固體氧化物燃料電池納米電極的穩定機制研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張耀輝
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
納米電極可大幅提高中低溫固體氧化物燃料電池（SOFC）的輸出性能。然而，納米材料表面積大，表面能高，在SOFC條件下會發生不同程度的團聚以減小表面能，最終影響電極的輸出穩定性和壽命。因此，納米電極的穩定性對SOFC的實際套用至關重要。針對此問題，本項目採用浸漬方法將電極活性成分以納米形式引入多孔支撐體製成電極，考察多孔通道中納米顆粒的熱穩定性及其對電極微結構、電導率及電化學性能的影響；將電池在不同條件下運行，考察電極中納米顆粒的結構變化及其對電池長期運行輸出性能的影響，闡明納米顆粒在製備及電池運行階段的微結構穩定機制。通過本項目研究，可深入理解SOFC納米電極的穩定機制及其對電池性能的影響規律，提高納米電極在SOFC中套用的可靠性。
結題摘要
納米電極的性能受到浸漬的工藝和參數等多重因素的影響，本項目研究了納米陽極電化學性能和長期穩定性與焙燒溫度、造孔劑、分散劑、浸漬量之間的關係。首先重點研究了不同焙燒溫度及焙燒時間對浸漬性能的影響，發現浸漬後焙燒超過400 ℃，30 min即可實現硝酸鹽分解為氧化物；造孔劑是影響納米浸漬的一個重要因素，研究發現YSZ與造孔劑質量比低於5：3時，YSZ骨架孔隙率隨造孔劑增加顯著提升，孔隙率比木薯粉高~10%。NiO浸漬量為19 wt%時，麵粉造孔劑製備陽極的電導率是木薯粉樣品的9倍，說明麵粉作為造孔劑有利於提高浸漬效果，而木薯粉作為造孔劑製備的樣品陽極電導率更加穩定；利用尿素輔助浸漬可以改善納米顆粒在陽極內部的分布，含4 mol/L尿素的浸漬液浸漬效果明顯優於含1 mol/L尿素的浸漬液；實驗表明納米量級Ni顆粒浸漬量並不是越多越好，綜合考慮電導率和穩定性兩個因素，適宜的浸漬量的範圍在 21 wt%~27 wt%。採用浸漬法製備的Ni-LSG/LSGM/BSCF單體電池在650℃時，電池的開路電壓為1.07V，此時最大功率密度達到875mW∙cm-2，該中溫區域的輸出性能優異。該電池的電解質膜厚度為50微米左右，若進一步減小電解質厚度，電池的輸出功率可進一步提升。 SOFC的工作溫度較高，本項目研究了不同的浸漬陽極退火處理對電極中納米顆粒生長的影響。我們研究退火溫度在400 ℃~900 ℃，退火時間在1 h~9 h這個範圍內NiO晶粒生長情況，發現在溫度較低時，退火溫度顯著影響NiO晶粒生長；結合不同退火條件下NiO平均粒徑，得到NiO晶粒生長活化能，500 ℃~800 ℃溫度區間，NiO晶粒活化能Q1=48.75 kJ/mol，主要以晶界遷移進行生長，800 ℃~900 ℃區間，活化能Q2=336.64 kJ/mol。晶體生長動力學分析表明，退火溫度400℃時，NiO晶粒在YSZ晶面上的生長過程幾乎都是表面擴散過程；隨著燒結溫度的升高， NiO晶粒在YSZ晶面上的生長過程中既有表面擴散，也有體積擴散，且隨燒結溫度的升高表面擴散的分量在降低，而體積擴散的分量在增加；當燒結溫度升高到700℃時，NiO晶粒生長中表面擴散和體積擴散作用各占一半；燒結溫度繼續升高到800℃時，體積擴散在NiO燒結中的作用大於表面擴散。另外，不同還原溫度也顯著影響陽極微結構從而影響其性能。
