固体氧化物燃料电池的简易设计与性能研究

发布时间：2017-03-24 14:07

  本文关键词：固体氧化物燃料电池的简易设计与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法合成了Ni0.7Co0.30(NC30)、 PrBaFe2O5+δ(PBFO)、PrBaFe1.6Ni0.405+δ(PBFNO)三种电极材料以及Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)电解质材料。分别采用X-射线衍射仪、扫描电子显微镜、热膨胀仪、直流四端子技术、电化学工作站等分析测试手段,对材料的物相、微结构、热膨胀系数、电导率,以及电池的输出性能和界面极化情况进行了表征。第二章详细地介绍了本研究所用的试剂、仪器,以及测试样品所涉及到的表征手段。第三章系统考察了新型复合阴极材料Ni0.7Co0.3O-Sm0.2Ce0.8O1.9 (NC3O-SDC)的电化学性能。X射线衍射(XRD)分析表明,Ni0.7Co0.3O粉体经800℃热处理形成单一立方相结构,其与SDC电解质在1300℃下没有相互作用,800℃时最大电导率为0.432 S.cm-1：将Ni0.7Co0.3O与SDC按一定比例混合制成系列复合阴极材料NC3O-xSDC (x=0,10,20,30,40,50,60wt·%), TEC测定结果证实,SDC的加入可有效降低Ni0.7Co0.3O的热膨胀系数；对称电池NC3O-xSDC |SDC| NC3O-xSDC的阻抗谱测量结果表明,x=30%的复合阴极材料(NC3O-SDC30)在空气气氛下800℃时极化阻抗最小,其值为0.071 Ω·cm2；以加湿氢气(～3% H2O)为燃料、静态空气为氧化剂时,阳极支撑的单电池NiO-SDC |SDC|NC3O-SDC30,600℃时最大功率密度为200mW·cm-2。第四章基于对称固体氧化物燃料电池(SSOFC)设计思路,提出了准对称固体氧化物燃料电池(Q-SSOFC)的设计理念,并通过系列性能的测试和表征进行验证。制备了PrBaFe2O5+δ(PBFO)以及Ni部分取代Fe位的PrBaFe1.6Ni0.4O5+δ(PBFNO电极材料粉体,以SDC作为电解质,构建了对称电池PBFO | SDC | PBF、PBFNO | SDC1 PBFNO和准对称电池PBFNO|SDC|PBFO。XRD结果表明,PBFO和PBFNO分别在900℃、1000℃获得纯相,且与SDC电解质在1000℃时均呈现良好的化学相容性；与PBFO相比,Ni掺杂的PBFNO烧结陶瓷体在空气和氢气气氛中电导率值都有所增加,热膨胀值(TEC)由19.5×10-6K-1降至16.6×10-6K-1；电化学阻抗谱显示,PBFO与PBFNO在空气中的极化阻抗均大于氢气中的极化阻抗,PBFO的氧还原反应(ORR)活性高于PBFNO,氢氧化反应(HOR)活性则相反；电池性能测试结果显示,Q-SSOFC具有更大的功率输出(600℃时其值为120mW·cm-2); SEM照片证实,SDC电解质与PBFO、PBFNO两个电极材料在制备和运行过程中具有良好的热机械匹配性,表明本研究采用的电池制备及热处理工艺是成功的。研究结果表明,准对称电池设计不仅具备普通对称电池的优势,而且进一步改善了电池的电化学性能,为固体氧化物燃料电池中温化发展带来了曙光。
【关键词】：固体氧化物燃料电池 电极材料 稳定性 电性能
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 前言13-15
• 1 文献综述15-27
• 1.1 燃料电池简介15-17
• 1.2 固体氧化物燃料电池17-25
• 1.2.1 固体氧化物燃料电池发展历程17
• 1.2.2 固体氧化物燃料电池的工作原理17-19
• 1.2.3 固体氧化物燃料电池单电池构型及组装19-21
• 1.2.4 固体氧化物燃料电池关键材料21-25
• 1.3 课题研究的目的及内容25-27
• 2 实验试剂、仪器及表征方法27-33
• 2.1 实验试剂27-28
• 2.2 实验仪器28
• 2.3 表征方法28-33
• 2.3.1 材料的表征28-29
• 2.3.2 电性能表征29-33
• 3 Ni_(0.7)Co_(0.3)O-Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)复合阴极的制备与性能研究33-47
• 3.1 概述33-34
• 3.2 实验34-36
• 3.2.1 粉体的合成与表征34-35
• 3.2.2 热膨胀行为与电导率样品的制备与表征35
• 3.2.3 阴极极化阻抗样品制备与表征35-36
• 3.2.4 阳极支撑型单电池的制备与表征36
• 3.3 结果与讨论36-46
• 3.3.1 晶相与化学相容性分析36-38
• 3.3.2 热膨胀与电导率38-40
• 3.3.3 阴极极化40-45
• 3.3.4 阳极支撑单电池45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 4 准对称固体氧化物燃料电池47-67
• 4.1 概述47
• 4.2 实验47-48
• 4.3 结果与讨论48-66
• 4.3.1 物相分析48-51
• 4.3.2 电导率51-53
• 4.3.3 热膨胀行为53-54
• 4.3.4 极化阻抗54-58
• 4.3.5 单电池性能58-66
• 4.4 本章小结66-67
• 5 结论67-69
• 参考文献69-79
• 致谢79-81
• 作者简介及读研期间主要科研成果81

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本文编号：265710