固体氧化物可逆电池LSTF燃料电极的制备和性能研究

发布时间：2020-04-13 20:59

【摘要】：作为一种将固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解池(SOEC)连用的能量转换装置,固体氧化物可逆电池(RSOC)以其高效无污染备受研究者的青睐。它既可以在SOFC模式下工作释放出电能,也可以在SOEC模式下运行,通过外部电源将工厂排出的废气直接转化为可以利用的燃料气体。RSOC可以进行SOFC、SOEC交替运行,这样就能实现“燃料气-电能”的循环利用,在能源问题日益严重的当今社会具有重要的意义。本实验对以La、Fe共掺杂SrTiO3钙钛矿氧化物材料(LSTF)作为RSOC的燃料电极的物理和电化学性能及电池稳定性进行研究。本文第三章通过对不同La、Fe掺杂量的SrTiO3电导率进行分析,并且分析了 LSTF材料在不同气氛中的结构稳定性,确定了 La的掺杂量为30%,Fe的掺杂量为70%时(LSTF0.7),阳极材料的电导率最高(4.69 S · cm-1,800 ℃),探究了 LSTF0.7燃料电极用于可逆电池的SOFC模式下的电化学性能。在此基础上,通过浸渍法引入CeO2和Ni金属催化剂,使得以LSTF0.7-CeO2、Ni-LSTF0.7-CeO2为电池阳极的全电池在H2中的放电性能有明显的提高,800℃时的最大功率密度分别为612mW · cm-2和698 mW · cm-2,全电池极化阻抗减小为 0.466 Ω·cm2 和 0.455 Ω.cm2。通过制备以 LSM(La0.2Sr0.8MnO3)-ScSZ(钪稳定氧化锆)为电极材料的对称电池,确定SOFC阴极、阳极对全电池极化阻抗的贡献。相对于阳极材料,电池在LSM-ScSZ阴极上的极化损失更大。由阴阳极的极化阻抗值可以计算出电极反应的活化能。LSTF0.7-ScSZ浸渍阳极在氢气和一氧化碳中的反应活化能分别是52.2 kJ · mol-1和157.5 kJ·mol-1,这说明相对于一氧化碳气体,阳极在氢气中有着较低的活化能,使得电化学反应更容易发生。论文第四章对以LSTF0.7-CeO2为阴极、以LSM-ScSZ为阳极的固体氧化物电解池在不同温度、不同外加电压、不同气氛中的I-V曲线和电化学阻抗谱进行表征,探究了 LSTF0.7-CeO2燃料电极用于可逆电池的SOEC模式下的电化学性能。SOEC在电解CO2的过程中,在外加电位为2.0 V时,700,750,800,850℃温度下的电流密度分别达到 1.20,2.05,3.14,4.44 A.cm-2。通过对交流阻抗谱的数据的拟合分析,得出相对于传质阻抗R2,传荷阻抗R1对特定电压下的总极化阻抗的贡献占主导地位。此外,本文还对此电解池的长期稳定性进行了系统研究,初步确定了电解池的衰减主要来自于LSM-ScSZ阳极的团聚。论文第五章对LSTF0.7-CeO2|ScSZ|LSM-ScSZ可逆电池以SOFC模式运行时的不同温度下的放电功率密度进行极化曲线表征,并且通过电化学阻抗谱系统表征了 SOEC模式下各个电极的欧姆阻抗和极化阻抗,以探究LSTF燃料电极用于可逆电池(SOFC与SOEC两种模式联用)的电化学性能。在开路条件下,800℃时 30%CO+ 70%CO2,50%CO+ 50%CO2,70%CO+ 30%CO2气体组分下的极化阻抗分别为0.68,1.04,1.46 Ω · cm2,较低的阻抗值说明了 LSTF0.7-CeO2电极具有较高催化活。此外,还对固体氧化物可逆电池的循环性能进行了表征,并通过SEM测试,表明电极颗粒团聚是稳定性衰减的主要原因。论文第六章对电池构型为LSTF0.7-CeO2|ScSZ|LSTF0.7-CeO2的对称电池的电极过程进行研究,通过控制温度、外加电压、气体组分等参数,考察了对称可逆电池在SOFC模式和SOEC模式下的电化学性能。可逆电池的长期稳定性,尤其是电解模式下的稳定性是制约其商业化应用的一个重要因素。为了解决LSTF0.7-CeO2|ScSZ|LSTF0.7-CeO2单室对称电解池的稳定性问题,本实验对电解池施加电压的方式从单一方向的恒电压变换为方波恒电压操作,电压的反转明显有助于CO2电解池稳定性的提高。EDS结果从机理上进一步说明其能够起到消除施加单一方向电位在燃料电极表面上的积碳,使得电解池有效运行时间从80 h提高到了 550 h,为固体氧化物电解池的大规模应用提供了一个重要的技术改进。
【图文】：

过程图,阳极反应,过程,燃料电极

１．３．４逦ＳＯＦＣ阳极反应过程逡逑对于固体氧化物燃料电池的阳极，，囡其功能是催化燃料气体发生反应，逡逑又可以称作燃料电极，阳极的反应过程如图１－２所示。逡逑ｈ２逡逑｜①邋ｈ２0逡逑ｈ２邋ｈ２邋／逡逑＾逦Ｉ邋ＨｊＯ逡逑ｓｓ邋ｙ／＼邋ｉ＇？逡逑ｔ逦、卞．．＼＝相逡逑电解邋？逦ｏ２－逦ｏ２－逡逑图１－２邋ＳＯＦＣ的阳极反应过程示意W【４６］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ＳＯＦＣ邋ａｎｏｄｅ１４６１逡逑Ｋ邋１－２是以Ｈ２作为燃料气的阳极的电化学反应过程示意图，具体可以分逡逑为以下几个步骤：逡逑（１）

过程图,阴极反应,过程,阳极反应

１．３．４逦ＳＯＦＣ阳极反应过程逡逑对于固体氧化物燃料电池的阳极，囡其功能是催化燃料气体发生反应，逡逑又可以称作燃料电极，阳极的反应过程如图１－２所示。逡逑ｈ２逡逑｜①邋ｈ２0逡逑ｈ２邋ｈ２邋／逡逑＾逦Ｉ邋ＨｊＯ逡逑ｓｓ邋ｙ／＼邋ｉ＇？逡逑ｔ逦、卞．．＼＝相逡逑电解邋？逦ｏ２－逦ｏ２－逡逑图１－２邋ＳＯＦＣ的阳极反应过程示意W【４６］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ＳＯＦＣ邋ａｎｏｄｅ１４６１逡逑Ｋ邋１－２是以Ｈ２作为燃料气的阳极的电化学反应过程示意图，具体可以分逡逑为以下几个步骤：逡逑（１）
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.41

【参考文献】