niosdc固體氧化物燃料電池陽極的制備

niosdc固體氧化物燃料電池陽極的制備

固體氧化物和電池是一種新型高效清潔能源轉(zhuǎn)化率裝置。傳統(tǒng)的固體氧化物燃料電池需要工作在1000℃左右,對連接材料和密封材料的要求較高,相應的降低了其使用的經(jīng)濟性。因此中低溫固體氧化物燃料電池是固體氧化物燃料電池發(fā)展的必然趨勢之一固體氧化物燃料電池的陽極對于其運行具有重要意義,它使燃料氧化產(chǎn)生電能。Ni-Ce一般希望陽極有好的離子和電子導電性,能加速離子和電子的傳輸。有足夠大的孔隙率以延長三相邊界層的長度,即電極、電解質(zhì)和氣相的交界線的長度。有人提出三相邊界層的長度與氫氣的電化學反應速度相關本文采用檸檬酸-硝酸鹽溶膠-凝膠低溫自蔓延燃燒法制備初始的氧化鎳粉末和SDC粉末,按不同質(zhì)量比和不同制備工藝制備SOFC陽極片。并針對性地測量了各種陽極片的電導率,分析了陽極片電導率與陽極片微結(jié)構(gòu)、Ni的質(zhì)量分數(shù)、混合研磨時間及燒結(jié)溫度之間的關系。1實驗1.1Ce按Ce1.2NiO用蒸餾水溶解一定量的Ni(NO1.3混合研磨法分別按NiO的質(zhì)量含量占NiO與SDC總質(zhì)量的35%,50%和65%配比SDC和NiO粉末,加入7%的粘結(jié)劑,混合研磨,再以30MPa壓制2min成Φ25mm的圓片,厚度大約為1mm。以0.5℃·min1.4陽極片電阻測試用日本RigakuD/max衍射儀進行燃燒后粉體的物相分析,Cu靶,石墨單色器除K用場發(fā)射掃描電鏡(美國FEI公司,SIRION)測試制備的粉體及還原后陽極片的形貌,放大倍數(shù)為50000倍,其中制備的SDC粉末由于粒徑較小,放大倍數(shù)為200000倍。用ModelLR-700交流電橋進行陽極片的電阻測試,經(jīng)換算得到電導率值。ModelLR-700交流電橋的電阻測量范圍為2～20mΩ。本實驗中將陽極片切成3mm×5mm的長方形片,用銀膠作粘結(jié)劑連出4根鉑線,其中兩根連入ModelLR-700交流電橋的電流端,兩根連入ModelLR-700交流電橋的電壓端。以60ml·min2結(jié)果與討論2.1成相及成相的測定圖1所示為燃燒合成的SDC和NiO粉末的X射線衍射圖譜。根據(jù)PDF#75-0158(SDC)和PDF#75-0197(NiO)標準譜,得出兩種粉末均已很好的成相,分別呈現(xiàn)了立方螢石型Ce2.2不同粘結(jié)劑的研制圖3和表1所示為4種不同制備工藝制備得到的陽極片的電導率值與溫度的關系。另外,摻入35%氧化鎳的陽極片由于其電阻值超出了ModelLR-700交流電橋的測量范圍,在此沒有列出。這里給出的四種陽極片均摻入了相同的粘結(jié)劑含量,在相同壓力下壓片,并且以相同的升降溫速率進行燒結(jié)。所不同的只有NiO的含量、混合研磨時間和燒結(jié)溫度。詳細差別列于表2?？梢?樣品a和b低溫下表現(xiàn)為金屬特性,而高溫下表現(xiàn)為非金屬特性,隨溫度升高電導率升高,如樣品a在400,500和600℃的電導率值分別為1955,1829和1844S·m2.3金屬網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)對電導率的影響圖4所示為4種陽極片SEM照片。由圖可見,NiO和SDC粒子經(jīng)過燒結(jié)和還原過程以后都長大了。樣品a和b有類似的微結(jié)構(gòu),總的來說,Ni粒子和SDC粒子混合的不是很均勻,網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不是很明顯,經(jīng)24h研磨的樣品b略好于經(jīng)6h研磨的樣品a,說明較長的研磨時間有助于粒子的分散。樣品c和d由于具有較高的Ni含量,有相對較好的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),能形成好的電子通道,電導率遠高于樣品a和b。這種現(xiàn)象可以用幾何滲流的知識進行解釋,當金屬和非金屬混合在一起時,金屬與非金屬的比例在達到一定的數(shù)值后,此混合物就會由不導電型物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷щ娦臀镔|(zhì),具體比例與粒徑大小、粒子類型等多種因素有關。本實驗說明65%的NiO含量已經(jīng)超出本陽極粉末由不導電向?qū)щ娹D(zhuǎn)變的比例,所以其電導率大大升高。然而含35%NiO的陽極片由于Ni含量較低,加上Ni的分散性較差,沒有形成連續(xù)的電子通路,造成電導率極低。1350℃燒結(jié)的樣品d的粒子粒徑遠大于樣品c的,這是由于高的燒結(jié)溫度致使粒子長大、孔隙率降低,同時減少了三相邊界層的長度,減少了氫氣的傳輸路徑,所以樣品d的電導率小于樣品c的。普遍認為燃料電池陽極要求有較細的原始粉末、大的比表面積、充足的空隙率和一定的Ni含量。組成陽極的Ni金屬主要用于實現(xiàn)陽極的高的電子電導率和對H3樣品研磨粒徑和研磨時間對電導率的影響通過多個實驗,針對性地測試了4種不同制備工藝得到的陽極片的電導率值,結(jié)果顯示電導率與陽極的微結(jié)構(gòu)有很大關系,陽極微結(jié)構(gòu)則與Ni含量和陽極片的制備工藝密切相關。含65%NiO樣品的電導率遠高于含50%NiO的樣品,而含35%NiO的樣品無論其它制備條件如何都超出ModelLR-700交流電橋的量程。