固体氧化物燃料电池Ni-YSZ阳极地研究.pdfVIP

固体氧化物燃料电池Ni—YSZ阳极的研究 王世忠 江义 张雅虹 李文钊’ (中国科学院大连化学物理研究所，大连116023) 固体氧化物燃料电池(SOFC)是80年代迅速发展起来的新一代燃料电池，具有能量转化效率 为燃料，氢主要由甲烷通过水汽转化过程制得。该反应为强吸热过程，需要消耗大量的能量，如果以 CH。替代H。作为燃料将使SOFC的成本大大降低。以甲烷为燃料时，反应可以同时产生电能及合 成气，使SOFC过程更具有竞争性““]。 1试验部分 Ni—YSZ阳极材料的制备，NiO粉由硝酸镍在800C分解得到，其颗粒度约为3～4gm。NiO 粉和0．7“m商品YSZ(Y。O。的摩尔分数为6％)按一定的比例混合并充分研磨后，供制备Ni— YSZ阳极使用。 2007C焙烧18h，然后掺人(质量分数) MnCO。，将起始原料按计量比混合并研磨后在马福炉中1 20％0．7pm的商品YSZ，研磨后供制备LSM—YSZ阴极使用[4]。 阴阳极电极均采用ScreenPrinting方法分别制备于YSZ电解质薄片的两面。将印制好电极的 YSZ片放置于马福炉中1350C烧结2h。其有效工作面积分别为1．0cm。及1．2cm2。电池的Pt 参比电极利用自制铂胶采用涂刷的方法制备于YSZ电解质与LSM阴极相同的一侧。 将制备好的Ni—Ysz／Ysz／LsM—YSZ三合一电池结构用高温无机胶粘结在外径为2．0cm的 YSZ管一端，形成平板式的SOFC单电池。阳极暴露于流动的纯氢或甲烷燃料气中，阴极则暴露于 流动的空气中，空气流速为200mL／min。阴阳极及参比电极上，分别铺有Pt电流收集网，并由Pt 丝引出到外回路。通过电池的电流由配有376电流转换界面的EG＆G173恒电流／电位仪由恒电 A 流方式控制，阳极电位及输出电压分别由EG8G173恒电流／电位仪及高性能数字万用表(8840 Multimeter)测量。电池的电解质电阻由交流阻抗谱的高频值获得。 2结果和讨论 2．1 YSZ含量对Ni．YSZ阳极性质的影响 电化学反应性能的研究。试验结果表明：对于氢气反应，随YSZ含量的增加，电化学极化电阻显著 增加，即高Ni含量电极催化H。反应的活性较高；以CH。为燃料时电化学极化电阻随着YSZ含量 的增加而减小，即低Ni含量的催化剂催化甲烷氧化反应的活性较高。 2．2 56％NiO．YSZ阳极电化学性质的研究 (1)电功率性能试验测定了在氢及甲烷下性能均较好的56％Ni—YSZ阳极在不同反应温度 223 下电池的功率输出特性。1 K下纯CH。或H。为燃料时电池的开路电位分别约为1．4V和 ·通讯联系人 ·593· 1．2V，与理论值相近。电池V—I曲线的输出电压在小电流区域随电流的增加迅速减小，该区域电 压的迅速减小主要是由于电化学过电位造成的；在中等电流区阳极电位随电流的增加缓慢地线性 减小，这主要由电解质电阻、阳极导线及阳极界面电阻造成；高电流下，当燃料浓度很低时由于表面 燃料向电极内部的扩散成为速度控制步骤，出现极限电流现象，即电流达到某一值后．随着电流的 进一步增加，阳极电位迅速减小。由不同温度下电池V—I曲线可以看出，甲烷电化学过电位大于相 应温度下氢电池的电化学过电位，而且其活化能也大于氢电池电化学过电位活化能的值。 (2)甲烷氧化反应试验在1133～1223 K温区内进行了不同电位准静态极化下甲烷氧化反 应的产物分析。甲烷氧化反应随电位及电流的不同，大致可以分为三个区：阳极电位高于一0．9V 时，甲烷直接被部分氧化为合成气；阳极电位在一0．9～一0．75 V之间时，除了进行高电位下的反 应外，高电位反应生成的CO部分地被进一步氧化为CO：；阳极电位低于一o．75 v时，甲烷通过完 全氧化及随后的COz及Hzo重整过程生成合成