固体氧化物燃料电池阴极反应的多尺度模拟

发布时间：2020-03-27 11:15

【摘要】：随着经济的高速发展和人口的增长,世界能源消费量不断增加,同时,化石燃料对环境的恶化和全球气候的影响也越来越严重。面临着节约能源和保护环境的挑战,人们必须开发先进的清洁能源系统。固体氧化物燃料电池是一项高效且环保的新能源技术,它将燃料的化学能直接转换为电能和热能,而无需燃烧,为应对这些挑战提供了行之有效的解决方案,引起了国内外的广泛关注和研究。电池中阴极的极化损失非常大,为了建立一个高效的燃料电池,深入理解阴极氧还原反应机制是至关重要的。本文以基于阴极La_(0.6) _(25)S r_(0.3) _(75)Co_(0.25)F e_(0.75).75 O_(3-δ)和电解质Ce_(0.95)Gd_(0.05).05 O_(1.9) _5的固体氧化物燃料电池为研究对象,建立一个研究阴极氧还原反应的多尺度模型。本文的主要研究内容有:建立阴极La_(0.6) _(25)S r_(0.3) _(75)Co_(0.25)F e_(0.75).75 O_(3-δ)和电解质Ce_(0.95)Gd_(0.05).05 O_(1.9) _5的晶体结构,采用基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一性原理计算方法,对氧还原反应的过程中,在阴极材料LSCF的表面上、LSCF的内部以及LSCF和电解质材料GDC的交界面上所发生的反应以及氧离子在LSCF表面和内部扩散时的能量势垒进行计算,并比较在不同配置的晶体结构下,氧还原反应过程中的各个子步骤的能量势垒。根据过渡态理论,利用密度泛函理论计算得到的能量势垒,计算得到每一反应步骤的反应速率常数和传输过程中的扩散速率。进行连续介质模拟。采用由过渡态理论计算得到反应速率常数和扩散率,依据连续介质模型得到超电势与电流密度的关系,与实验结果相对照,表明结果是可靠的。最后,进行灵敏度分析,通过比较每一步反应相应的反应参数对超电势与电流密度的影响的大小,来确定阴极处氧气发生还原反应的关键步骤。灵敏度分析表明,O-O键发生断裂的过程对电池性能有显著的影响,即为反应中的关键步骤。
【图文】：

电化学反应示意图

图 1-1 阴极模型分类电极反应机理是电化学研究的基础问题，可靠的反应机制有助于提高电池性能。受固态离子导电理论发展的限制，近 20 年来，研究人员开始尝试建立 SOFC 阴极模型。首先，在固体氧化物燃料电池中，三相边界（TPB）是稳定存在的，它是气体分子、阴极和电解质材料的结合点。同时，在阴极侧也存在气/阴极和阴极/电解质的两相边界，它带来了几种可能的氧还原途径。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4

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本文编号：2602888