固体氧化物燃料电池阳极制备及稳定性能研究

发布时间：2018-04-28 12:55

本文选题：固体氧化物燃料电池 + 阳极材料　；参考：《安徽理工大学》2017年硕士论文

【摘要】：固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells,SOFCs)可将燃料的化学能直接转化为电能,具有能量转化效率高、燃料适应范围广和环境友好等优点,是一种市场发展前景看好的新能源技术。SOFC单电池由阴极、电解质和阳极三部分组成,其中阴极、电解质材料的研究已经较为充分,市场已推出相应的材料体系。在SOFC操作温度中低温化的发展趋势下,阳极材料的开发显得滞后,这是因为传统Ni基金属陶瓷阳极(Ni-YSZ,Ni-SDC)虽然具有优秀的电催化活性和良好的集电性,但在使用碳氢燃料(如甲烷,天然气)时,阳极易出现积炭和硫中毒现象,这些问题很大程度上限制了 Ni基阳极的商业化进程。本研究针对Ni-YSZ基阳极目前面临的现状,致力于探索直接对碳氢燃料进行催化氧化,且具有良好抗积碳的新型阳极材料体系,主要内容如下:第一章简要概括了固体氧化物燃料电池的研究背景、工作原理和电池各组件材料及制备技术的研究现状。重点介绍了基于中低温条件下操作的发展思路,传统SOFCs阳极面临的挑战及研究进展,提出本论文的研究目的和研究内容。第二章给出了本研究论文所使用的试剂、粉体合成方法及样品制备技术,介绍了用于材料理化性能测试表征所使用的仪器设备以及操作条件。第三章探讨了传统阴极候选材料La0.8Sr0.2Fe03-δ(LSF)在引入GDC过渡层的情况下,作为阳极材料使用的可行性。结果表明:(1)LSF在H2气氛下具有良好的物相稳定性;(2)通过在LSF与YSZ之间添加过渡层,700℃界面极化电阻由14.55 ·cm2降低至4.39Ω·cm2,表明GDC过渡层能显著改善LSF阳极在中低温下的催化性能;(3)通过添加GDC过渡层,单电池在700℃时功率密度从90 mW·cm-2增加到174mW-cm2,性能提高90%以上,且具有良好的稳定性。表明LSF是一种有前景的阳极材料。第四章采用 Mo 对 Pr0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2O3-δ(PSFN)进行掺杂(PSFNM),研究Mo掺杂对物相、电导率、热膨胀系数和电化学性能的影响,同时分别以PSFN和PSFNM作为阳极,构建LSGM电解质支撑的单电池,验证PSFNM作为阳极可行性。结果表明:(1)通过Mo掺杂可抑制Fe、Ni往低价态转变,提高材料在高温还原气氛下的物相稳定性,同时改善电池组件间的热机械匹配性;(2)650℃时Mo掺杂的界面极化电阻由2.763 Ω·cm2减小至1.051 Ω·cm2,表明Mo掺杂可明显改善中低温下的极化性能;(3)800℃时以PSFN和PSFNM为阳极的单电池输出功率和极化电阻分别为435 mW·cm-2、0.102 Ω·cm2和537 mW·cm-2和0.066Ω·cm2,表明Mo掺杂可有效改善电池的输出性能;(4)长期稳定性测试表明PSFNM是有潜在开发价值的阳极材料。第五章探讨了PrBaMn2O5+δ和Pr0.9Ba0.9Mn1.8Fe0.2O5+δ两种新型有序层状钙钛矿材料作为SOFC阳极材料的物理化学及电性能。结果表明:(2)空气气氛下,PBMO和PBMFO两者均呈现四方相和六方相的混合物,为无序结构。经过高温H2还原后,PBMO转变为单一钙钛矿相,PBMFO主相为钙钛矿,伴随Pr2O3、Fe203以及BaFe4O7的析出;(2)高温还原气氛下,PBMO与YSZ发生反应,与GDC没有相互作用;(3)Fe部分取代Mn位可有效增大载流子浓度,提高空气和氢气气氛下的电导率;(4)相转变前后,PBMO阳极单电池最大功率密度从75 mW·cm-2增大到104mW·cm-2,性能提高38.6%,而PBMFO阳极单电池则从96 mW·cm-2提高至190 mW·cm-2,性能提高90%以上。表明Fe掺杂能够明显提高PBMO阳极的催化性能。
[Abstract]:In this paper , the research background , working principle of the solid oxide fuel cell and the research progress of the preparation technology of the anode material are discussed . The research aim and the operating conditions of the anode material are discussed in chapter 1 . In chapter 2 , the research aim and the research contents of the anode material are discussed . The results show that the traditional Ni - based metal ceramic anode ( Ni - YSZ , Ni - -DC ) has excellent catalytic activity and good electrical property . The results show that : ( 2 ) The maximum power density of PBMO and PSFNM are 435 mW 路 cm - 2 , 0.102 惟路 cm ~ 2 and 537 mW 路 cm - 2 and 0.066 惟路 cm ~ 2 respectively .

【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM911.4

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