niosdc固体氧化物燃料电池阳极的制备

niosdc固体氧化物燃料电池阳极的制备

固体氧化物和电池是一种新型高效清洁能源转化率装置。传统的固体氧化物燃料电池需要工作在1000℃左右,对连接材料和密封材料的要求较高,相应的降低了其使用的经济性。因此中低温固体氧化物燃料电池是固体氧化物燃料电池发展的必然趋势之一固体氧化物燃料电池的阳极对于其运行具有重要意义,它使燃料氧化产生电能。Ni-Ce一般希望阳极有好的离子和电子导电性,能加速离子和电子的传输。有足够大的孔隙率以延长三相边界层的长度,即电极、电解质和气相的交界线的长度。有人提出三相边界层的长度与氢气的电化学反应速度相关本文采用柠檬酸-硝酸盐溶胶-凝胶低温自蔓延燃烧法制备初始的氧化镍粉末和SDC粉末,按不同质量比和不同制备工艺制备SOFC阳极片。并针对性地测量了各种阳极片的电导率,分析了阳极片电导率与阳极片微结构、Ni的质量分数、混合研磨时间及烧结温度之间的关系。1实验1.1Ce按Ce1.2NiO用蒸馏水溶解一定量的Ni(NO1.3混合研磨法分别按NiO的质量含量占NiO与SDC总质量的35%,50%和65%配比SDC和NiO粉末,加入7%的粘结剂,混合研磨,再以30MPa压制2min成Φ25mm的圆片,厚度大约为1mm。以0.5℃·min1.4阳极片电阻测试用日本RigakuD/max衍射仪进行燃烧后粉体的物相分析,Cu靶,石墨单色器除K用场发射扫描电镜(美国FEI公司,SIRION)测试制备的粉体及还原后阳极片的形貌,放大倍数为50000倍,其中制备的SDC粉末由于粒径较小,放大倍数为200000倍。用ModelLR-700交流电桥进行阳极片的电阻测试,经换算得到电导率值。ModelLR-700交流电桥的电阻测量范围为2～20mΩ。本实验中将阳极片切成3mm×5mm的长方形片,用银胶作粘结剂连出4根铂线,其中两根连入ModelLR-700交流电桥的电流端,两根连入ModelLR-700交流电桥的电压端。以60ml·min2结果与讨论2.1成相及成相的测定图1所示为燃烧合成的SDC和NiO粉末的X射线衍射图谱。根据PDF#75-0158(SDC)和PDF#75-0197(NiO)标准谱,得出两种粉末均已很好的成相,分别呈现了立方萤石型Ce2.2不同粘结剂的研制图3和表1所示为4种不同制备工艺制备得到的阳极片的电导率值与温度的关系。另外,掺入35%氧化镍的阳极片由于其电阻值超出了ModelLR-700交流电桥的测量范围,在此没有列出。这里给出的四种阳极片均掺入了相同的粘结剂含量,在相同压力下压片,并且以相同的升降温速率进行烧结。所不同的只有NiO的含量、混合研磨时间和烧结温度。详细差别列于表2。可见,样品a和b低温下表现为金属特性,而高温下表现为非金属特性,随温度升高电导率升高,如样品a在400,500和600℃的电导率值分别为1955,1829和1844S·m2.3金属网络结构对电导率的影响图4所示为4种阳极片SEM照片。由图可见,NiO和SDC粒子经过烧结和还原过程以后都长大了。样品a和b有类似的微结构,总的来说,Ni粒子和SDC粒子混合的不是很均匀,网络结构不是很明显,经24h研磨的样品b略好于经6h研磨的样品a,说明较长的研磨时间有助于粒子的分散。样品c和d由于具有较高的Ni含量,有相对较好的网络结构,能形成好的电子通道,电导率远高于样品a和b。这种现象可以用几何渗流的知识进行解释,当金属和非金属混合在一起时,金属与非金属的比例在达到一定的数值后,此混合物就会由不导电型物质转变为导电型物质,具体比例与粒径大小、粒子类型等多种因素有关。本实验说明65%的NiO含量已经超出本阳极粉末由不导电向导电转变的比例,所以其电导率大大升高。然而含35%NiO的阳极片由于Ni含量较低,加上Ni的分散性较差,没有形成连续的电子通路,造成电导率极低。1350℃烧结的样品d的粒子粒径远大于样品c的,这是由于高的烧结温度致使粒子长大、孔隙率降低,同时减少了三相边界层的长度,减少了氢气的传输路径,所以样品d的电导率小于样品c的。普遍认为燃料电池阳极要求有较细的原始粉末、大的比表面积、充足的空隙率和一定的Ni含量。组成阳极的Ni金属主要用于实现阳极的高的电子电导率和对H3样品研磨粒径和研磨时间对电导率的影响通过多个实验,针对性地测试了4种不同制备工艺得到的阳极片的电导率值,结果显示电导率与阳极的微结构有很大关系,阳极微结构则与Ni含量和阳极片的制备工艺密切相关。含65%NiO样品的电导率远高于含50%NiO的样品,而含35%NiO的样品无论其它制备条件如何都超出ModelLR-700交流电桥的量程。