质子导体固体氧化物燃料电池关键材料的制备与理论研究
发布时间：2021-03-31 19:15
质子导体固体氧化物燃料电池（Proton conducting solid oxide fuel cells,HSOFC）在能源转化领域发挥着极为重要的作用,其活化能低、能源利用率高、发电效率高、并且能够直接将化学能转化成电能。此外,H-SOFC在能源转化的过程中唯一产物是水,是一种清洁能源转化的有效途径,有利于我国能源的可持续发展。H-SOFC的发展将会对传统的诸多行业发起挑战,将有望逐渐替代使用传统能源的发电设备。为了使其在中温水平（600800℃）维持较好的性能,我们必须提高其在中温条件下的反应活性,特别是阴极的质子传导能力和氧还原（Oxygen reduction reaction,ORR）能力等。因此本文通过掺杂有效元素,控制晶面和微观结构等方法对H-SOFC中的阴极材料进行改性,并且采用基于第一性原理的密度泛函理论（Density functional theory,DFT）计算对材料进行预测,对材料的空位形成,水合及质子传导过程进行预判,从而制备出适用于H-SOFC的阴极材料。本文首先介绍了质子导体固体氧化物燃料电池的应用及发展前景,阐述了其反应原理...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子导体固体氧化物燃料电池结构原理图[7]
青岛大学硕士学位论文4图1.2ABO3型钙钛矿Figure1.2ProtonconductoroxideABO3structureofperovskitetype1.3质子导体固体氧化物燃料电池阴极近年来，对H-SOFC的研究越来越多，尤其是阴极的性能和反应机理。与氧离子导体SOFC不同，在H-SOFC中，产物水在阴极端生成，所以阴极的反应更加复杂并产生极大的极化电阻。这使得清楚地认识H-SOFC反应机理，发展合适的阴极材料并提高整个质子导体固体氧化物燃料电池的性能显得尤为重要，尤其是对于在低温条件下的电池。对于阴极反应，我们需要解决其在电化学反应中出现的各种问题，即电化学性能和阴极材料特性的关系，如导电类型和导电能力，成分与微观结构，以及电化学反应过程中出现的缺陷，如热膨胀系数不匹配、稳定性差，与氧解离的冲突等。1.3.1阴极在质子导体固体氧化物电池反应中的关键步骤极化电阻是评价电极反应并判断决速步骤的必要参数。对于O-SOFC来说，阴极极化电阻（Rp）与氧分压（PO2）成正比关系，而对于H-SOFC来说，除了氧气，水也在阴极端参与反应并对Rp有重要影响，Uchida等[9]首次提出除了氧的吸附解离和扩散，水的形成和演变应当作为在H-SOFC中阴极反应的重要步骤。He等[10]将其分解成基于质子转移和反应的小步骤。如表1.1所示：
青岛大学硕士学位论文6的O2-N2混合物反应。在干湿两种气氛下反应级数n在一定氧分压下接近0，而极化电阻Rp在湿润的条件下比其在干燥的空气中的对应值大1-3倍。这个结果表明极化电阻更多与水分压有关而不是氧分压，也就是说第5-8步才是阴极反应中的决速步骤，也就是一定水分压下的反应级数和极化电阻的活化能。就像是LSF和Pt，它们的阴极反应的决速步骤不同，因为LSF是电子氧离子混合导体，吸附在LSF上的氧原子的反应区域从表面扩展到晶体内部[11]。将复合阴极的极化电组在干湿气氛中进行A.C.阻抗测试，该复合阴极由电子氧离子混合导体（Sm0.5Sr0.5CoO3-&,SSC）和质子导体（BaCe0.8Sm0.2O3-&，BCS）组成。如图1.3所示，在不同氧分压和水分压下测试电池的极化电阻，可以看到决速步骤不只是一步，因为它的基本步骤都与PO2和PH2O的作用有关，如表1.1所示。SSC-BCS阴极的PO2的反应级数在干性空气中和湿性空气中的反应级数分别为0.23和0.18。这些反应级数和LSF的反应级数不同，也就是说氧离子的形成和转移不足以加速扩展BCS的三相界面。图1.3在湿润的N2-O2中，不同氧分压（PO2）下的高频阻抗（RH）和低频阻抗（RL）在500和600℃下的测量结果Figure1.3Oxygenpartialpressure(PO2)dependenceofhigh-frequencyresistance(RH)andlowfrequencyresistance(RL)measuredinhumidifiedN2-O2atmosphereat500and600℃,respectively
【参考文献】：
期刊论文
[1]Performance variability of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ cathode on proton-conducting electrolyte SOFCs with Ag and Au current collectors[J]. Ting-Ting Wan,An-Kang Zhu,Hai-Bo Li,Chun-Chang Wang,You-Min Guo,Zong-Ping Shao,Oumarou Savadogo. Rare Metals. 2018(08)
[2]通过电子导体阴极La0.8Sr0.2MnO3-δ的纳米化制备高性能质子导体固体氧化物燃料电池（英文）[J]. Eman Husni Da’as,毕磊,Samir Boulfrad,Enrico Traversa. Science China Materials. 2018(01)
[3]计算科学推进大数据时代多学科交叉发展[J]. 李建欣,胡春明,陶飞,赵洁玉. 计算机教育. 2014(01)
[4]分子动力学模拟的主要技术[J]. 文玉华,朱如曾,周富信,王崇愚. 力学进展. 2003(01)
[5]蒙特卡洛方法（Ⅱ）[J]. 张建中. 数学的实践与认识. 1974(02)
本文编号：3111940
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子导体固体氧化物燃料电池结构原理图[7]
青岛大学硕士学位论文4图1.2ABO3型钙钛矿Figure1.2ProtonconductoroxideABO3structureofperovskitetype1.3质子导体固体氧化物燃料电池阴极近年来，对H-SOFC的研究越来越多，尤其是阴极的性能和反应机理。与氧离子导体SOFC不同，在H-SOFC中，产物水在阴极端生成，所以阴极的反应更加复杂并产生极大的极化电阻。这使得清楚地认识H-SOFC反应机理，发展合适的阴极材料并提高整个质子导体固体氧化物燃料电池的性能显得尤为重要，尤其是对于在低温条件下的电池。对于阴极反应，我们需要解决其在电化学反应中出现的各种问题，即电化学性能和阴极材料特性的关系，如导电类型和导电能力，成分与微观结构，以及电化学反应过程中出现的缺陷，如热膨胀系数不匹配、稳定性差，与氧解离的冲突等。1.3.1阴极在质子导体固体氧化物电池反应中的关键步骤极化电阻是评价电极反应并判断决速步骤的必要参数。对于O-SOFC来说，阴极极化电阻（Rp）与氧分压（PO2）成正比关系，而对于H-SOFC来说，除了氧气，水也在阴极端参与反应并对Rp有重要影响，Uchida等[9]首次提出除了氧的吸附解离和扩散，水的形成和演变应当作为在H-SOFC中阴极反应的重要步骤。He等[10]将其分解成基于质子转移和反应的小步骤。如表1.1所示：
青岛大学硕士学位论文6的O2-N2混合物反应。在干湿两种气氛下反应级数n在一定氧分压下接近0，而极化电阻Rp在湿润的条件下比其在干燥的空气中的对应值大1-3倍。这个结果表明极化电阻更多与水分压有关而不是氧分压，也就是说第5-8步才是阴极反应中的决速步骤，也就是一定水分压下的反应级数和极化电阻的活化能。就像是LSF和Pt，它们的阴极反应的决速步骤不同，因为LSF是电子氧离子混合导体，吸附在LSF上的氧原子的反应区域从表面扩展到晶体内部[11]。将复合阴极的极化电组在干湿气氛中进行A.C.阻抗测试，该复合阴极由电子氧离子混合导体（Sm0.5Sr0.5CoO3-&,SSC）和质子导体（BaCe0.8Sm0.2O3-&，BCS）组成。如图1.3所示，在不同氧分压和水分压下测试电池的极化电阻，可以看到决速步骤不只是一步，因为它的基本步骤都与PO2和PH2O的作用有关，如表1.1所示。SSC-BCS阴极的PO2的反应级数在干性空气中和湿性空气中的反应级数分别为0.23和0.18。这些反应级数和LSF的反应级数不同，也就是说氧离子的形成和转移不足以加速扩展BCS的三相界面。图1.3在湿润的N2-O2中，不同氧分压（PO2）下的高频阻抗（RH）和低频阻抗（RL）在500和600℃下的测量结果Figure1.3Oxygenpartialpressure(PO2)dependenceofhigh-frequencyresistance(RH)andlowfrequencyresistance(RL)measuredinhumidifiedN2-O2atmosphereat500and600℃,respectively
【参考文献】：
期刊论文
[1]Performance variability of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ cathode on proton-conducting electrolyte SOFCs with Ag and Au current collectors[J]. Ting-Ting Wan,An-Kang Zhu,Hai-Bo Li,Chun-Chang Wang,You-Min Guo,Zong-Ping Shao,Oumarou Savadogo. Rare Metals. 2018(08)
[2]通过电子导体阴极La0.8Sr0.2MnO3-δ的纳米化制备高性能质子导体固体氧化物燃料电池（英文）[J]. Eman Husni Da’as,毕磊,Samir Boulfrad,Enrico Traversa. Science China Materials. 2018(01)
[3]计算科学推进大数据时代多学科交叉发展[J]. 李建欣,胡春明,陶飞,赵洁玉. 计算机教育. 2014(01)
[4]分子动力学模拟的主要技术[J]. 文玉华,朱如曾,周富信,王崇愚. 力学进展. 2003(01)
[5]蒙特卡洛方法（Ⅱ）[J]. 张建中. 数学的实践与认识. 1974(02)
本文编号：3111940
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3111940.html
