niosdc固體氧化物燃料電池陽(yáng)極的制備

niosdc固體氧化物燃料電池陽(yáng)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(duì)連接材料和密封材料的要求較高,相應(yīng)的降低了其使用的經(jīng)濟(jì)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(shì)之一固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極對(duì)于其運(yùn)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(yáng)極有好的離子和電子導(dǎo)電性,能加速離子和電子的傳輸。有足夠大的孔隙率以延長(zhǎng)三相邊界層的長(zhǎng)度,即電極、電解質(zhì)和氣相的交界線的長(zhǎng)度。有人提出三相邊界層的長(zhǎng)度與氫氣的電化學(xué)反應(yīng)速度相關(guān)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(yáng)極片。并針對(duì)性地測(cè)量了各種陽(yáng)極片的電導(dǎo)率,分析了陽(yáng)極片電導(dǎo)率與陽(yáng)極片微結(jié)構(gòu)、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、混合研磨時(shí)間及燒結(jié)溫度之間的關(guān)系。1實(shí)驗(yàn)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(yáng)極片電阻測(cè)試用日本RigakuD/max衍射儀進(jìn)行燃燒后粉體的物相分析,Cu靶,石墨單色器除K用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(美國(guó)FEI公司,SIRION)測(cè)試制備的粉體及還原后陽(yáng)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(jìn)行陽(yáng)極片的電阻測(cè)試,經(jīng)換算得到電導(dǎo)率值。ModelLR-700交流電橋的電阻測(cè)量范圍為2～20mΩ。本實(shí)驗(yàn)中將陽(yáng)極片切成3mm×5mm的長(zhǎng)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(yáng)極片的電導(dǎo)率值與溫度的關(guān)系。另外,摻入35%氧化鎳的陽(yáng)極片由于其電阻值超出了ModelLR-700交流電橋的測(cè)量范圍,在此沒(méi)有列出。這里給出的四種陽(yáng)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(jìn)行燒結(jié)。所不同的只有NiO的含量、混合研磨時(shí)間和燒結(jié)溫度。詳細(xì)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(dǎo)率升高,如樣品a在400,500和600℃的電導(dǎo)率值分別為1955,1829和1844S·m2.3金屬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)電導(dǎo)率的影響圖4所示為4種陽(yáng)極片SEM照片。由圖可見,NiO和SDC粒子經(jīng)過(guò)燒結(jié)和還原過(guò)程以后都長(zhǎng)大了。樣品a和b有類似的微結(jié)構(gòu),總的來(lái)說(shuō),Ni粒子和SDC粒子混合的不是很均勻,網(wǎng)絡(luò)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(shuō)明較長(zhǎng)的研磨時(shí)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(duì)較好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),能形成好的電子通道,電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于樣品a和b。這種現(xiàn)象可以用幾何滲流的知識(shí)進(jìn)行解釋,當(dāng)金屬和非金屬混合在一起時(shí),金屬與非金屬的比例在達(dá)到一定的數(shù)值后,此混合物就會(huì)由不導(dǎo)電型物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電型物質(zhì),具體比例與粒徑大小、粒子類型等多種因素有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)說(shuō)明65%的NiO含量已經(jīng)超出本陽(yáng)極粉末由不導(dǎo)電向?qū)щ娹D(zhuǎn)變的比例,所以其電導(dǎo)率大大升高。然而含35%NiO的陽(yáng)極片由于Ni含量較低,加上Ni的分散性較差,沒(méi)有形成連續(xù)的電子通路,造成電導(dǎo)率極低。1350℃燒結(jié)的樣品d的粒子粒徑遠(yuǎn)大于樣品c的,這是由于高的燒結(jié)溫度致使粒子長(zhǎng)大、孔隙率降低,同時(shí)減少了三相邊界層的長(zhǎng)度,減少了氫氣的傳輸路徑,所以樣品d的電導(dǎo)率小于樣品c的。普遍認(rèn)為燃料電池陽(yáng)極要求有較細(xì)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(yáng)極的Ni金屬主要用于實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極的高的電子電導(dǎo)率和對(duì)H3樣品研磨粒徑和研磨時(shí)間對(duì)電導(dǎo)率的影響通過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn),針對(duì)性地測(cè)試了4種不同制備工藝得到的陽(yáng)極片的電導(dǎo)率值,結(jié)果顯示電導(dǎo)率與陽(yáng)極的微結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系,陽(yáng)極微結(jié)構(gòu)則與Ni含量和陽(yáng)極片的制備工藝密切相關(guān)。含65%NiO樣品的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于含50%NiO的樣品,而含35%NiO的樣品無(wú)論其它制備條件如何都超出ModelLR-700交流電橋的量程。