以Ti部分替代Ni的Ni-YSZ阳极性能研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)可以通过阳极重整反应直接利用碳氢燃料,然而吸热的重整反应导致Ni-YSZ阳极存在很大的温度梯度。利用Ti部分替代催化剂Ni,降低催化强度,控制重整反应合理进行,可以得到合适的温度梯度等特性。利用全三维数学模型,量化研究了以Ti部分替代Ni-YSZ阳极中Ni的SOFC性能,在不同Ni含量情况下,得到温度场、组分分布和输出电压等分布情况。可以看出,在计算工况下,当Ni含量>40%时,最大温度差和Ni含量几乎呈线性关系,当Ni含量<40%时,最大温度差降低幅度增大。相同摩尔分数的甲烷在阳极中出现的位置和Ni的含量几乎呈线性变化,而最大氢气摩尔分数随着Ni含量的降低而降低,降幅逐渐增加。随着Ni含量的降低,输出电压随之降低,降幅逐渐增大。

中温固体氧化物燃料电池Ni-YSZ阳极浸渍制备

以YSZ粉体和石墨造孔剂为原料制备阳极支撑体膜片,经与YSZ薄层叠压、共烧得到多孔的阳极支撑体YSZ骨架/电解质薄层复合基体。研究石墨含量与孔隙率间的定量关系,阳极支撑体中石墨含量为70%(质量分数)时,其骨架孔隙率可达50%(体积分数)。分别多次采用硝酸镍的饱和水溶液和柠檬酸-镍络合物水溶液作为浸渍液对其进行浸渍,经干燥、焙烧制备以含镍催化剂的多孔阳极。柠檬酸量与镍离子的摩尔比值R与氧化镍粒径之间的关系为:氧化镍晶粒尺寸随着R值的增加呈减小的趋势,晶粒尺寸在7～30nm之间。经柠檬酸-镍络合物浸渍制备的极化电阻低于硝酸镍浸渍制备的阳极的极化电阻,其单电池的输出功率密度也高于经硝酸镍浸渍制备的单电池。

浸渍阳极SOFC单电池的制备及其性能表征

以8YSZ粉体和PMMA造孔剂为原料,分别采用水系流延法制备多孔YSZ流延片与有机流延法制备YSZ薄膜,经叠压共烧获得多孔YSZ/YSZ薄膜复合基体。研究了PMMA含量、YSZ粒径对复合基体的影响。结果表明:采用Tosoh YSZ粉体制备YSZ薄膜,球磨后的九江YSZ粉体制备多孔YSZ流延片,多孔YSZz中PMMA含量为20wt.%,YSZ含量为80wt.%,在1530℃下共烧能获得较为平整且YSZ薄膜致密的多孔YSZ/YSZ薄膜复合基体,多孔层的孔隙率可达45vol.%;采用九江YSZ粉体分别制备YSZ薄膜和多孔YSZ,多孔YSZ中PMMA含量为20wt.%,YSZ含量为80wt.%,在1600℃下共烧6h可获得较为平整、孔隙较高、结构均匀且YSZ薄膜致密的复合基体。采用饱和硝酸镍溶液作为浸渍液对在1530℃下共烧获得的复合基体的多孔YSZ层进行浸渍,经干燥、焙烧制备了浸渍阳极SOFC单电池。在H_2/空气气氛中,750℃时测得单电池最大功率密度为0.58 W/cm^2,其对应的欧姆阻抗为0.42Ω·cm^2,极化阻抗为0.6Ω·cm^2。

基于格子Boltzmann方法的燃料电池阳极气体与离子传输分布研究

格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)适用于模拟研究固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)复杂多孔阳极内电化学反应过程中微观粒子的传输活动。利用X射线纳米CT成像技术获得SOFC阳极样品在运行2 h和20 h后的三维结构,并在原有研究基础上,利用LBM方法模拟研究增加离子传输对阳极电化学反应的影响,获得阳极内氢气、水的浓度分布和氧离子电流密度分布。结果表明:电池运行20 h后,阳极微结构发生明显变化,有效三相界面长度减少,模拟反应过程中氢气消耗减少,氧离子消耗减少,SOFC的效率降低。通过研究SOFC阳极电化学反应过程中微结构变化、气体与电流密度分布,可以为阳极结构优化提供参考。