【摘要】：傳統(tǒng)的固體氧化物燃料電池(SOFC)在直接使用固態(tài)碳燃料時,由于碳燃料顆粒粒徑與陽極孔徑尺寸的差異而難以擴(kuò)散至陽極內(nèi)部發(fā)生催化氧化反應(yīng),使得燃料的轉(zhuǎn)化率較低,無法滿足實際生產(chǎn)需求。以液態(tài)金屬作為陽極的SOFC由于其陽極具有優(yōu)良的電子導(dǎo)電性和較強(qiáng)的雜質(zhì)耐受能力,并且在與固態(tài)碳燃料接觸時有良好的物質(zhì)傳輸能力而受到廣泛的關(guān)注。在眾多金屬材料中,In、Sn、Sb、Pb和Bi金屬的熔點都在SOFC的工作溫度范圍內(nèi),都可以被用作SOFC的陽極;其中,金屬Sb及其氧化物Sb_2O_3在SOFC的工作溫度范圍內(nèi)均為液態(tài),并且Sb_2O_3在SOFC的工作溫度范圍內(nèi)具有一定的氧離子導(dǎo)電性,因此金屬Sb被認(rèn)為是具有一定應(yīng)用前景的液態(tài)金屬陽極材料。本研究制備了陰極支撐的管式支撐體,成功組裝成陰極支撐的管式液態(tài)Sb陽極固體氧化物燃料電池(LAA-SOFC);采用電化學(xué)工作站對不同溫度下電池的電化學(xué)性能進(jìn)行測試,驗證了其組裝成集成化電堆的可能性;同時,對陰極支撐的管式電池所使用的固態(tài)電解質(zhì)(GDC、SDC、YSZ)在液態(tài)Sb陽極中的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,總結(jié)歸納出不同實驗條件下固態(tài)電解質(zhì)在液態(tài)Sb陽極中的腐蝕機(jī)理,并提出相應(yīng)的改善方法,主要研究內(nèi)容如下:(1)采用注漿成型的方法,以LSM為原料,成功制備了長度為4.5~5 cm,管徑為1 cm,壁厚0.5~0.7 mm的LSM陰極管式支撐體;以液態(tài)金屬銻(Sb)作為金屬陽極,采用浸漬-提拉法在支撐體表面制備了LSM-YSZ陰極功能層、YSZ電解質(zhì),組裝成LSM陰極支撐的管式液態(tài)Sb陽極固體氧化物燃料電池(LAA-SOFC);電池在650°C、700°C、750°C、800°C時的峰值功率分別為12 mW·cm~(-2)、19.6 mW·cm~(-2)、27.7 mW·cm~(-2)、32 mW·cm~(-2);通過對電池電化學(xué)阻抗譜的分析發(fā)現(xiàn)陰極阻抗較大是制約電池性能的主要原因。(2)以平板狀的CeO_2基電解質(zhì)GDC作為研究對象,以高溫液態(tài)的Sb和Sb_2O_3作為腐蝕介質(zhì),對化學(xué)模式下GDC電解質(zhì)在兩種腐蝕介質(zhì)中的穩(wěn)定性進(jìn)行研究;試驗結(jié)束后,分別用HNO_3和HCl溶液清洗掉電解質(zhì)表面的金屬Sb或Sb_2O_3殘留,利用掃描電鏡(SEM)和電子探針顯微分析儀(EPMA)對電解質(zhì)的表面形貌、截面形貌及元素分布進(jìn)行觀察;經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)液態(tài)的Sb和Sb_2O_3沿著電解質(zhì)的晶界擴(kuò)散,致使晶粒脫落是GDC電解質(zhì)受到腐蝕的主要原因,實驗過程中,Sb_2O_3對GDC電解質(zhì)的腐蝕性要明顯弱于Sb;在GDC電解質(zhì)的一側(cè)刷上La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)(LSCF)陰極,以液態(tài)的Sb作為陽極,組裝成全電池;模擬750oC時直接碳燃料電池(DCFC)的工作環(huán)境,在電化學(xué)模式下,對GDC電解質(zhì)在液態(tài)Sb陽極SOFC中的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,結(jié)果表明,電化學(xué)模式下電解質(zhì)的腐蝕機(jī)理與化學(xué)模式下相同,同時發(fā)現(xiàn),電解質(zhì)的穩(wěn)定性隨電流密度的增加而變差。在相同實驗條件下,研究了SDC電解質(zhì)在液態(tài)Sb中的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)其腐蝕機(jī)理與GDC相同。(3)以平板狀的Y_2O_3穩(wěn)定的ZrO_2(YSZ)作為研究對象,采用與GDC電解質(zhì)穩(wěn)定性研究相同的實驗方法,對YSZ電解質(zhì)在化學(xué)模式以及電化學(xué)模式下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究;利用掃描電鏡(SEM)、電子探針顯微分析儀(EPMA)、X射線衍射儀(XRD)對測試后YSZ電解質(zhì)的表面形貌、相結(jié)構(gòu)和微區(qū)元素分布進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在腐蝕介質(zhì)Sb和Sb_2O_3沿YSZ電解質(zhì)的晶界擴(kuò)散的同時,還伴隨著Y_2O_3的擴(kuò)散現(xiàn)象以及由此引發(fā)的YSZ電解質(zhì)表層結(jié)構(gòu)的相變,確定了YSZ電解質(zhì)的腐蝕機(jī)理以及其與CeO_2基電解質(zhì)腐蝕機(jī)理的不同之處;電化學(xué)模式下的電解質(zhì)腐蝕主要來自于Sb_2O_3,并且隨電流密度的增大而增強(qiáng)。
【圖文】：

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本文編號：2711701