1、固体氧化物燃料电池阳极基底预烧温度的研究第 27 卷第 1 期2009 年 O1 月佳木斯大学(自然科学版)JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition)V01.27No.1Jan.2009文章编号:100814o2(2oo9)ol 一 014902固体氧化物燃料电池阳极基底预烧温度的研究孙薇薇,李祖君,张海丰(佳木斯大学理学院.黑龙江佳木斯 154007)摘要:采用固相反应法制备阳极支撑型固体氧化物燃料电池的阳极基底 .由于制备温度不同,导致阳极基底在与电解质共烧结过程中收缩率不同,电池出现形变.为了消除这种形变,本文改变阳极基底的烧结温度
2、,使阳极的收缩率与电解质的收缩率相匹配,得到了阳极的最佳预烧温度.关键词:固体氧化物燃料电池;阳极基底;预烧温度;收缩率中图分类号:TM911.4 文献标识码:A0 引言固体氧化物燃料(SolidOxideFullCell,SoFC)电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能量转换装置,采用陶瓷电解质,全固态结构,具有无腐蚀,无泄漏,低噪音,高温运行(60o一1000clC),反应速率快,设备简单,尤其适用于热电联用,能量转化效率高(高达 80%左右)的优势,是解决化石类燃料污染环境的有效技术之一-2】.但是实际应用中,单体 SoFC 功率很有限 ,为了获取较大功率,需要将若干个单电池以各种方
3、式(串联,并联,混联)组装成电池堆.大规模发电的 SoFC 是由单电池单元通过堆叠而成的电池堆.由于 SoFC 电池堆是由大量的单电池单元堆叠而成的,因此单电池单元的性能在很大程度上会影响电池堆的性能.其中一个很重要的要求就是每一个单电池都要平整,单电池形变会影响整个SoFC 电池堆的稳定性.阳极支撑型平板式 SOFC在制备过程中,要经过多次烧结,各组件经过高温烧结后的收缩程度决定了单电池的形变大小.本文通过对阳极支撑型平板式 SoFC 阳极基底的预烧温度的研究,凋整了阳极基底与电解质薄膜在烧结中的收缩特性,得到了能够制备平整的单电池所需的阳极基底的预烧温度.1 实验方法采用固相反应法制备阳极
4、基底,阳极支撑体采用氨水共沉淀法制备的氧化亚镍(NiO)和中国建材院生产的氧化钇稳定的氧化锆(YttriastabilizedZirconia,YSZ)为原料.将 NiO 和 YSZ 按照 1:I 重量比混合,形成混合粉末.在混合粉末中加入适量的造孔剂,在玛瑙研钵中研磨 2h,使之充分混合,形成阳极粉末.按每份 0.2g 称取阳极粉末,用 769YP一15A 手动粉末压片机在 350MPa 压强下压成直径13mm,厚度为 0.5mm 的阳极坯体,将此阳极坯体分别在 l100oC,1000和 900oC 预烧 2 小时,分别叫做 A1,A2 和 A3,使阳极形成多孔结构,微结构变得粗糙,增大机械
5、强度.分别在 Al,A2 和 A3 阳极基底上通过丝网印刷制备相同的 YSZ 电解质薄膜,为了使薄膜致密,需要将阳极和电解质薄膜的双层结构在 1400高温下烧结 4h,制成半电池,相应叫作 Bl,B2 和 B3.在半电池的电解质一侧制备相同的锶掺杂的锰酸镧(.Sr0.,MnO3)阴极,在 1100C 烧结 2h,形成完整的电池分别叫做 C1,C2 和 C3.由于 1400C 是整个制备过程中的最高烧结温度,所以经过 1400oC 烧结的半电池的形状决定了单电池的形状.2 实验结果与分析2.1 半电池的形变图 1 是半电池 B1,B2 和 B3 的形变示意图.从图中可以看到 B1 和 B3 都发
6、生了较大的形变,Bl收稿日期:200 一 1209萎全旱:垡查堑学科研基金.旦(I2008060);黑龙江省教育厅面上项目(11521291)作者简介:孙薇薇(1977 一), 女,黑龙江佳木斯人 ,往木斯大学醺孥彘砰而:垣擎硕士.150 佳木斯大学(自然科学版)2O09 阜呈现向着电解质方向弯曲,即向内凹,B2 呈现出平整的形状,而 B3 则向着阳极的方向弯曲,即向外凸.出现这种形变的原因是由于物体在较高的温度下会发生很大的体积收缩,而且收缩的程度随着烧结温度的不同而不同.烧结温度越高,物体收缩的程度越大.而且这种收缩是不可逆的,所以经过不同温度预烧的阳极基底 Al,A2,A3 在制备电解质
7、薄膜时的收缩状态是不同的,导致了与电解质共烧结过程中其总体收缩率的不同 r3.B1B2B3图 1 半电池 BI,B2,IB 形变示意图(深颜色为电解质层)图 2 所示为不同阳极基底和 YSZ 的收缩特性曲线.在 lIO0C 的高温下烧结的阳极基底 Al 在1400c【=的收缩率为 l7.9l%,小于 YSZ 片(由于不能测量 YSZ 电解质薄膜的收缩特性,在这里用 YSZ薄片来代替)在 1400C 的收缩率 18.35%.1100oC 温度较高,阳极基底 Al 在高温下有了较大的收缩,收缩活性降低,所以在 1400时收缩率降低.由于阳极基底的收缩小于电解质薄膜的收缩,电解质薄膜就要带动阳极基底
8、收缩,向着电解质方向弯曲,导致了如图 1 中所示的形变.相反,A3 由于是在900 下烧结的,温度相对较低,阳极基底的收缩活性还很大,在与 YSZ 电解质共烧结的过程中,能够有很大的收缩能力,在 1400的收缩率为 l9.47%,大予电解质薄膜的收缩率,所以阳极基底带动电解质薄膜收缩,形成向外凸的形变.而预烧温度在 1000C 的 A2 阳极基底的收缩率介于 A1 和 A3之间,在 1400C 的收缩率为 18.34%,与 YSZ 电解质薄膜的收缩率相匹配,二者共同收缩,形成了平整的半电池.2.2 电池的性能电池的输出性能和阻抗谱分别由电化学界面SI1287 和阻抗分析仪 SI1260 进行测
9、试.测试在自制的电炉中进行.升温过程中阳极侧先通入 N,作为保护气,目的是为了排空氧化铝管内的空气,避免空气与27 昆合,发生爆炸.当温度升到 650时通入 H,同时关闭.H 会将阳极中的 NiO 还原成 Ni.阴极则暴露于环境空气之中.共测试 650%,700cc 和 750%三个温度点.由于测试要在较高的温度下进行,电池的形变所导致的应力会在测试过程中释放,这种释放会使得形变的电池容易破裂,造成阴极和阳极之间漏气,电压降低,不能进行测试.而平整的 C2 电池,在整个测试过程中表现出良好的性能.还原过程电压缓慢上升,接近了理论电压值1.1v,并且在650,700oC 和 750cc 时功率密
10、度分别达到了 0.38W/cm,0.64W/cm 和 1.12W/cm,图 3 所示为 C2电池的放电曲线和功率密度曲线.cl,C3 电池都因碎裂而无法完成整个测试的过程.25O.025.5.0.75100.125I5017.52008Temperature/C图 2A1,A2.43 和 YSZ 收缩特性曲线Currentdensity/Acm图 3C2 的放电曲线和功率密度曲线3 结论通过对阳极基底预烧温度的研究,得到使用丝网印刷工艺制备电解质薄膜时,阳极基底最佳的预烧温度为 1000c【=, 以此温度预烧的阳极基底在与YSZ 电解质薄膜共烧结的过程中,能够实现收缩率上的匹配,从而形成平整的
11、单电池,对于电池的测试和形成电池堆的稳定有重要意义.参考文献:1韩敏芳,彭苏萍 .固体氧化物燃料电池材料及制备M.北京:科学出版社,21304:l 一 3.2衣宝廉.燃料电池 原理? 技术?应用M.北京:化学工业出版社.20o4:12.3陈孔发,吕吉吉 ,黄喜强,等.沉淀法合成 NiO 及 NOYSE 阳极性能J.电源技术,2O06,ll:901903,(下转 160 页)l60 佳木斯大学(自然科学版)2OO9 隹原因:一是由于经济的发展,人口的增加,对自然环境的破坏越来越大;二是草地由于过度放牧,割草,持续干旱和缺乏有效的管理,从而导致植物群落植物组成和密度发生改变,造成草地植物群落衰退.
12、面对日益增加的有毒植物,除了要积极采取针对性措施,加强草地的环境治理和保护,抑制松嫩草地有毒植物的蔓延.同时,要充分认识到有毒植物对人类有益的方面,实际上,许多有毒植物是重要的经济植物,或具潜在的重要的经济价值,有些植物经过加工处理可以成为食物的,例如小黄花菜(HemerocallisminorMil1.)和小根蒜 (AlliummacrostemonBunge.),经过适当的处理 ,成为当地百姓颇受欢迎的山野菜.有毒植物也成为新药的重要来源之一,如瑞香狼毒(StellerachamaejasmeL.),现代药理学研究证明有抗肿瘤,抗菌和阵痛作用.现在,由于化学农药造成环境污染,植物性农药越来
13、越受到重视,应用也越来越广泛,许多有毒植物已经用在农作物的杀虫上,取得了显着的经济效益和生态效益.参考文献:1陈翼胜.中国有毒植物 M.北京:科学出版社,1987.2图力吉尔. 科尔沁沙地有毒植物及其利用j. 中国野生植物资源,1994,(1):34 36.3史志成.中国草地重要有毒植物M.北京:中国农业出版社.1997.4自云龙.内蒙古天然草原有毒植物综述J.内蒙古草业.I997,(1):I320.5邢福,刘卫国 ,等.中国草地有毒植物研究进展J.中国草地.2001,23(5):5661.6郑慧莹,李建东 .松嫩平原的草地植被及其利用保护M.北京:科学出版社,1993.7吴征镒.中国种子植物
14、属的分布区类型J.云南植物研究,1991(增刊 ):136139.8Michae1.H.R.EcolcalRelationshipsbetweenPoisonousPlantsandRange.InvestigationonPoisonousPlantResourcesonSongnenGrasslandZHENGBao 一如,HUTiefew,ZHANGQiu yah(CollegeofLifeScience,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)Abstract:Poisonousplant 戏 0urceswereinvestiga
15、tedOnSongnengrassland.Therea】93speciesand7varleties,whichbelongto72generaand32familiesaccordingtotheplanttaxonomy.ThetypesofdistributionofpoisonousDlantsarevariousandrich,thefloraelementsalecomplexandthemajorityexhibittemperatenature.ThegeographiealelementscompriseallofNortheastfloraofpoisonousplant
16、s,andthedominanceiscommonwithendemicspeciesofChngbaiflora.Keywords:poisonousplant;resoUl“ceinvestigation;Songnengrassland;floraelements(上援 l50 贝)StudyonSinteredTemperatureofAnodeSubstratesofSolidOxideFuelCellSUNWeiwei,LIZujun,ZHANGHai 一 rag(CoUeofSdence.Ji.qnaUniversity,Jianatl154007,(啦 )Abs 仃 act:A
17、n0desubstratesofanodesupportedSolidOxideFuelCellwerefabricatedbysolidstateretieti0n.Duet0thedi 丘lerentfabricaringtemperature,theshrinkingrateofanodeWaSunmatchedwiththatofelectrolyte,andceUsappI 暑areddeformations.Inordertoavoidthecelldeformation,thesinteredtemperaturesofanodesubstrateswe 陀 cha|1#-ed,shrinkingrateofanodesubstratesmatchedwiththatofelectrolyte,theoptimalsinteredtemperatureofanodewasgot.Keywords:solidoxidefuelcell;anodesubstrates;sinteredtemperature;shrinkingrate
