对称固体氧化物燃料电池的钙钛矿氧化物电极的掺杂与性质
发布时间：2021-01-17 09:22
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种全固态结构的能量转换器件,具有能量转换效率高,燃料来源丰富,集成度高等优势。通常,SOFC单电池具有阴极-电解质-阳极的非对称结构,即阴极、阳极具有不同的结构和性质。近年来,一种全氧化物对称结构SOFC得到了广泛的研究。所谓对称SOFC,即阴极和阳极采用相同的材料,并具有相同的结构特征。与非对称SOFC相比,对称SOFC的优势明显,包括（1）氧化物阳极具有更好的抗积碳和硫中毒能力,还可通过氧化还原循环再生,提高了 SOFC的长期稳定性。（2）阴极和阳极的材料与结构相同,热应力分布均匀,热震稳定性高。（3）可以简化制造工艺,降低了生产成本。（4）可在燃料电池和电解池（SOEC）模式下灵活切换,使其在电网调峰,能源互联网建设等方面有了更广阔的应用前景。本论文旨在探索对称结构SOFC氧化物电极,以钙钛矿氧化物及其衍生物为基础,通过体相掺杂和表面修饰,优化其电化学性能。第一章为绪论,主要介绍SOFC的工作原理,影响其性能的因素及其在可持续能源体系中的作用。总结SOFC的电解质,阴极,阳极材料及材料改性方法。引出课题的研究要点。第二章研究了具有 Ruddles...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３．德国ＧｒｌｎＨｙ清洁能源制氢系统：（ａ）ＲＳＯＣ系统实物图；（ｂ）ＲＳＯＣ系统运行１?
离子电流和电子电流相等，净电流为０，开路电压（ｏｃｖ）与理论??电动势心满足关系［２５］：??ＥＮ－ＯＣＶ?＿?ｏｃｖ??Ｒｉ?Ｋ?＇??凡和凡分别为电解质的离子电阻与电子电阻，将（１．６）带入（１．７）得：??ＯＣＶ＝?Ｒｅ?ＥＮ＝ｔｉ－＼ｎ＾－?（１．８）??Ｒ．?＋?Ｒ，?＾?ｌＡＦ?Ｐａ〇ｉ??ｒ，？为氧离子迁移数。若ｒ，＋随氧分压的变化而改变，在电解质不同位置处不同，??更精确的开路电压值可由Ｗａｇｎｅｒ方程计算［２６］。??１．２．４?ＳＯＦＣ的极化损失??图１．４展示了工作条件下ＳＯＦＣ电压随电流的变化。工作时，有净电流从阴??极流向阳极，此时电极的电化学势会偏离原来的平衡态，这种偏离平衡电动势的??电压被称为极化过电势。电化学过程包含气相传质，物种的吸附、解离与表面迁??移；以及电子的转移与传递等过程。因此电池体系中存在欧姆极化，活化极化及??浓差极化三种极化现象。??１．４????Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ?ＥＭＦ?（ｎｏ?ｌｏｓｓ?ｖｏｌｔａｇｅ）??Ｖ???Ｖｏｌｔａｇｅ?ｆａｌｌｓ?ｒａｐｉｄｌｙ??＼?（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｒｅｇｉｏｎ）??±?０．８－?Ｖｏｌｔａｇｅ??—?ｆａｌｌｓ??ｓｌｏｗｌｙ?ｉｓ?Ｌｏｗ?ｏｐｅｒａｔｉｎｇ??，〇．６一?，ｎｅ＾ｒ?＾＾＾ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??＝?Ｏｈｍｉｃ?＾?Ｖｏｌｔａｇｅ?ｆａｉｌ＾ｙ??°?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｆａｓｔｅｒ?’?＼??〇．４?一?－Ｂｉ〇ｎ?ｗ??Ｈｉｇｈ?ｏｐｅｒａｔｉｎｇ＾．?ｒｅｇ．〇Ｔｊ－??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??０．２?￣?＇?
第一章绪论??体间隙。未掺杂的氧化锆氧空位少，氧离子电导率非常低。其在常温下为单斜晶??型，１１７０?°Ｃ以上转变为四方相，２３７０?°Ｃ转变为立方萤石型结构。通过掺杂低??价阳离子，可以将立方结构稳定到室温。同时为了保持电中性，低价掺杂后氧空??位浓度增加（式１．１６），氧离子电导率明显升高［３４］。??Ｚ）２０３?－?２ＤＺｒ?＋?３０〇?＋?Ｖ〇?Ｃｌ．１６）??图１．５（ａ）显示当掺杂离子与Ｚｒ４＋离子半径差最小时，具有最高的离子电导率??和最低的氧离子迁移活化能。这是由于当掺杂离子与Ｚｒ４＋离子大小相近时，引起??的晶格畸变小，氧离子在晶格中传输的阻力校Ｓｃ２０３掺杂的Ｚｒ０２具有最高的离??子电导率。但由于Ｓｃ资源稀少，价格昂贵，最常使用的电解质材料为Ｙ２０３掺杂??的Ｚｒ０２（ＹＳＺ）。同时，图１．５（ｂ）显示，低价元素的掺杂量不是越多越好，存在氧??离子电导率最高的掺杂量。这是由于随着低价元素的掺杂，氧空位逐渐增多，过??多的氧空位会与阳离子缺陷发生缺陷对缔合，使可动的氧空位反而减少，氧??离子迁移势金升高。对于ＳＣ２Ｏ３最佳的掺杂量为ｌ〇ｍｏｌ％。对于Ｙ２Ｏ３最佳的掺??杂量为?８ｍｏｌ％（８ＹＳＺ）。??ａ??．．．?ＡＣｖａ＾＾ｙｌ１２０?ｂ〇〇ｒ＾?卜?一，??Ｃ〇ｎＡ＞ｃｔｎ＾ｙ?Ａ－ｙｓＺ（ＣＰ？？Ｎ？Ｍｔｒ？ｉ??ｌ?＾?１１０?ｉ?似??一?２０?－?、、?？?１ＣＸ＞，广?？?‘Ｓｃ５２（ＣＰ．＿＊ｒ？？＞糾??＞?＼?＼?＾?§．１．０?＊?｜?？８＜￡２？６＜？一洲｜??Ｉ?１５?９０?｜?｜?／??０?Ｓ．?／?＇７〇?Ｉ?．２．０??。斗，
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析世界能源供需格局及中国能源清洁化策略[J]. 郭彤荔. 能源与节能. 2019(11)
[2]Modelling of finger-like channelled anode support for SOFCs application[J]. Bin Chen,Haoran Xu,Meng Ni. Science Bulletin. 2016(17)
博士论文
[1]LSF基SOFC钙钛矿阴极性能的研究[D]. 李梅.中国科学技术大学 2017
[2]固体氧化物燃料电池电极微结构的理论研究[D]. 张雁祥.中国科学技术大学 2013
本文编号：2982602
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３．德国ＧｒｌｎＨｙ清洁能源制氢系统：（ａ）ＲＳＯＣ系统实物图；（ｂ）ＲＳＯＣ系统运行１?
离子电流和电子电流相等，净电流为０，开路电压（ｏｃｖ）与理论??电动势心满足关系［２５］：??ＥＮ－ＯＣＶ?＿?ｏｃｖ??Ｒｉ?Ｋ?＇??凡和凡分别为电解质的离子电阻与电子电阻，将（１．６）带入（１．７）得：??ＯＣＶ＝?Ｒｅ?ＥＮ＝ｔｉ－＼ｎ＾－?（１．８）??Ｒ．?＋?Ｒ，?＾?ｌＡＦ?Ｐａ〇ｉ??ｒ，？为氧离子迁移数。若ｒ，＋随氧分压的变化而改变，在电解质不同位置处不同，??更精确的开路电压值可由Ｗａｇｎｅｒ方程计算［２６］。??１．２．４?ＳＯＦＣ的极化损失??图１．４展示了工作条件下ＳＯＦＣ电压随电流的变化。工作时，有净电流从阴??极流向阳极，此时电极的电化学势会偏离原来的平衡态，这种偏离平衡电动势的??电压被称为极化过电势。电化学过程包含气相传质，物种的吸附、解离与表面迁??移；以及电子的转移与传递等过程。因此电池体系中存在欧姆极化，活化极化及??浓差极化三种极化现象。??１．４????Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ?ＥＭＦ?（ｎｏ?ｌｏｓｓ?ｖｏｌｔａｇｅ）??Ｖ???Ｖｏｌｔａｇｅ?ｆａｌｌｓ?ｒａｐｉｄｌｙ??＼?（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｒｅｇｉｏｎ）??±?０．８－?Ｖｏｌｔａｇｅ??—?ｆａｌｌｓ??ｓｌｏｗｌｙ?ｉｓ?Ｌｏｗ?ｏｐｅｒａｔｉｎｇ??，〇．６一?，ｎｅ＾ｒ?＾＾＾ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??＝?Ｏｈｍｉｃ?＾?Ｖｏｌｔａｇｅ?ｆａｉｌ＾ｙ??°?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｆａｓｔｅｒ?’?＼??〇．４?一?－Ｂｉ〇ｎ?ｗ??Ｈｉｇｈ?ｏｐｅｒａｔｉｎｇ＾．?ｒｅｇ．〇Ｔｊ－??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??０．２?￣?＇?
第一章绪论??体间隙。未掺杂的氧化锆氧空位少，氧离子电导率非常低。其在常温下为单斜晶??型，１１７０?°Ｃ以上转变为四方相，２３７０?°Ｃ转变为立方萤石型结构。通过掺杂低??价阳离子，可以将立方结构稳定到室温。同时为了保持电中性，低价掺杂后氧空??位浓度增加（式１．１６），氧离子电导率明显升高［３４］。??Ｚ）２０３?－?２ＤＺｒ?＋?３０〇?＋?Ｖ〇?Ｃｌ．１６）??图１．５（ａ）显示当掺杂离子与Ｚｒ４＋离子半径差最小时，具有最高的离子电导率??和最低的氧离子迁移活化能。这是由于当掺杂离子与Ｚｒ４＋离子大小相近时，引起??的晶格畸变小，氧离子在晶格中传输的阻力校Ｓｃ２０３掺杂的Ｚｒ０２具有最高的离??子电导率。但由于Ｓｃ资源稀少，价格昂贵，最常使用的电解质材料为Ｙ２０３掺杂??的Ｚｒ０２（ＹＳＺ）。同时，图１．５（ｂ）显示，低价元素的掺杂量不是越多越好，存在氧??离子电导率最高的掺杂量。这是由于随着低价元素的掺杂，氧空位逐渐增多，过??多的氧空位会与阳离子缺陷发生缺陷对缔合，使可动的氧空位反而减少，氧??离子迁移势金升高。对于ＳＣ２Ｏ３最佳的掺杂量为ｌ〇ｍｏｌ％。对于Ｙ２Ｏ３最佳的掺??杂量为?８ｍｏｌ％（８ＹＳＺ）。??ａ??．．．?ＡＣｖａ＾＾ｙｌ１２０?ｂ〇〇ｒ＾?卜?一，??Ｃ〇ｎＡ＞ｃｔｎ＾ｙ?Ａ－ｙｓＺ（ＣＰ？？Ｎ？Ｍｔｒ？ｉ??ｌ?＾?１１０?ｉ?似??一?２０?－?、、?？?１ＣＸ＞，广?？?‘Ｓｃ５２（ＣＰ．＿＊ｒ？？＞糾??＞?＼?＼?＾?§．１．０?＊?｜?？８＜￡２？６＜？一洲｜??Ｉ?１５?９０?｜?｜?／??０?Ｓ．?／?＇７〇?Ｉ?．２．０??。斗，
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析世界能源供需格局及中国能源清洁化策略[J]. 郭彤荔. 能源与节能. 2019(11)
[2]Modelling of finger-like channelled anode support for SOFCs application[J]. Bin Chen,Haoran Xu,Meng Ni. Science Bulletin. 2016(17)
博士论文
[1]LSF基SOFC钙钛矿阴极性能的研究[D]. 李梅.中国科学技术大学 2017
[2]固体氧化物燃料电池电极微结构的理论研究[D]. 张雁祥.中国科学技术大学 2013
本文编号：2982602
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