固体氧化物电池燃料极界面反应过程
发布时间：2021-07-20 03:19
固体氧化物电池（Solid Oxide Cells,SOCs）的高效能量转化应用分为两种工作模式,一种是固体氧化物燃料电池（SOFC）,直接将燃料气的化学能转化为电能;另一种是固体氧化物电解电池（SOEC）,利用太阳能、风能等清洁能源将水和二氧化碳高温电解产生一氧化碳和氢气。原理上,SOEC与SOFC互为逆过程,两种工作模式都具有能量转换率高、清洁无污染等优点。在SOFC中,当以碳氢化合物为燃料时,通过内重整或外重整反应,以H2和(CO的混合气在燃料极进行电化学氧化反应;在SOEC中,H20和C02在燃料极发生电化学还原反应,生成H2和CO。这种氧化/还原反应发生在燃料极的表面（电解质-气相两相界面,2PB）和界面（催化剂-电解质-气相三相界面,3PB）,其中表面的微观反应过程研究较多,而界面处的微观反应过程仍有待深入研究。当燃料极为复相结构时,界面处的电化学反应活性对电极性能起着至关重要的作用,因此正确理解燃料极界面处的微观反应过程,为电池性能计算,提高电极寿命,探索和制备新型高性能燃料极材料等提供基础。本论文主要研究H2/H20和<CO/<CO2在燃料极界面处的电化学转...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２固体氧化物电池的两种运行模式ＳＯＦＣ和ＳＯＥＣ的工作原理??
氧化气流速足够高，这时各气体组分分压是恒定的，则Ｎｅｒｎｓｔ电势￡也是恒定??的，不是电流密度的函数。如果各气体组分是变化的，则开路电压ＯＣＶ本身应??当作为电流密度的函数处理。图１．３给出了一个典型的电池电压随电流密度变化??的极化曲线。在电流密度较低时，通常以活化极化为主，此时反应气在电解质－??电极界面处的反应活性为电极反应的控制步骤；电流密度较高时，则以浓差极化??为主，此时反应气向电解质－电极界面的扩散成为电极反应的控制步骤。??＼?Ｓ?■＊—ｓ欧姆损夬??］??置败?「极化损人??欧妈极化??浓箜极！ｔ?、“??电流芾１４??图１．３?ＳＯＣ体系各种极化影响的电压与电流密度的关系示意图??当外电路接上负载时，就会存在一个有限的、非零电流通过电路。当给定电流密??度为／时，假如所加外部负载的电压为Ｆ（％），电压损失为ｖｆｌ），则??Ｅ?＝?Ｆ（〇?＋?？７（〇?（１．５）??当电解质两侧气体流速足够高时，五为恒定值，反之，￡将是电流密度的函数，??所以??￡（ｉ）?＝?Ｖ（ｉ）?＋?７７（１）?（１．６）??其中电压损失／／闷也是极化损失，是电流密度的函数，它与电池在一定电流下出??现的各种极化现象有关
??图１．４不同烧结温度下的ＹＳＺ晶粒大小增长示意图［１８］??（２）?Ｃｅ０２基电解质??掺杂氧化铈由于其在中低温度下具有良好的性能而被广泛用于电解质材料??［１４，?２２，?２３］。纯Ｃｅ０２为萤石结构，但是其氧空位浓度较低不利于氧离子的传导。??通过掺杂可以显著提高Ｃｅ０２的电导率，且电导率与掺杂元素的种类和含量有关，??在所有掺杂体系中，Ｇｄ３＋和Ｓｍ３＋掺杂的Ｃｅ０２的电导率最高［２４－２６］，如图１．５所??不。??〇?．?Ｇｄ＾?Ｓｍ５＊?ｃ?３＋?ｄｏｐａｎｔ?Ｉｏｎｓ??ｕ＇?？?２＋?ｄｏｐａｎｔ?ｉｏｎｓ??－１．５－?Ｈ〇＞Ｙ?户?＇??！?＊２－０：?／?＼??ｒ２５：?／?＼?！??－３．０－?＼Ｂａ：－??１：｜?，ｃｅｒ???０．８?０．９?１．０?１．１?１．２?１３?１．４?１．５??Ｄｏｐａｎｔ?ｉｏｎｉｃ?ｒａｄｉｕｓ?［Ａ］??图１．５不同素掺杂元素离子半径对Ｃｅ０２电解质电导率的影响??掺杂Ｃｅ０２的缺陷方程如下：??Ｃｃ〇２?Ｉ??Ｒ２０３?—＾２ＲＣｅ?＋?３０＾?＋?Ｖ〇?（１－１４）??从上式可以看到，当掺杂元素含量增加时，氧空位浓度也随之增加，则电导率也??会增加，但是过量掺杂会导致掺杂的元素与氧空位相互蒂合而降低氧离子迁移速??率，不利于Ｃｅ０２Ｗ离子电导性能，一般情况下１０－２０％ｍｏｌ的掺杂量为最佳。与??Ｚｒ０２基电解质相比
【参考文献】：
期刊论文
[1]LSM-YSZ nano-composite cathode with YSZ interlayer for solid oxide fuel cells[J]. Zhongbo Liu,Zhe Zhao,Lei Shang,Dingrong Ou,Daan Cui,Baofeng Tu,Mojie Cheng. Journal of Energy Chemistry. 2017(03)
本文编号：3292015
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２固体氧化物电池的两种运行模式ＳＯＦＣ和ＳＯＥＣ的工作原理??
氧化气流速足够高，这时各气体组分分压是恒定的，则Ｎｅｒｎｓｔ电势￡也是恒定??的，不是电流密度的函数。如果各气体组分是变化的，则开路电压ＯＣＶ本身应??当作为电流密度的函数处理。图１．３给出了一个典型的电池电压随电流密度变化??的极化曲线。在电流密度较低时，通常以活化极化为主，此时反应气在电解质－??电极界面处的反应活性为电极反应的控制步骤；电流密度较高时，则以浓差极化??为主，此时反应气向电解质－电极界面的扩散成为电极反应的控制步骤。??＼?Ｓ?■＊—ｓ欧姆损夬??］??置败?「极化损人??欧妈极化??浓箜极！ｔ?、“??电流芾１４??图１．３?ＳＯＣ体系各种极化影响的电压与电流密度的关系示意图??当外电路接上负载时，就会存在一个有限的、非零电流通过电路。当给定电流密??度为／时，假如所加外部负载的电压为Ｆ（％），电压损失为ｖｆｌ），则??Ｅ?＝?Ｆ（〇?＋?？７（〇?（１．５）??当电解质两侧气体流速足够高时，五为恒定值，反之，￡将是电流密度的函数，??所以??￡（ｉ）?＝?Ｖ（ｉ）?＋?７７（１）?（１．６）??其中电压损失／／闷也是极化损失，是电流密度的函数，它与电池在一定电流下出??现的各种极化现象有关
??图１．４不同烧结温度下的ＹＳＺ晶粒大小增长示意图［１８］??（２）?Ｃｅ０２基电解质??掺杂氧化铈由于其在中低温度下具有良好的性能而被广泛用于电解质材料??［１４，?２２，?２３］。纯Ｃｅ０２为萤石结构，但是其氧空位浓度较低不利于氧离子的传导。??通过掺杂可以显著提高Ｃｅ０２的电导率，且电导率与掺杂元素的种类和含量有关，??在所有掺杂体系中，Ｇｄ３＋和Ｓｍ３＋掺杂的Ｃｅ０２的电导率最高［２４－２６］，如图１．５所??不。??〇?．?Ｇｄ＾?Ｓｍ５＊?ｃ?３＋?ｄｏｐａｎｔ?Ｉｏｎｓ??ｕ＇?？?２＋?ｄｏｐａｎｔ?ｉｏｎｓ??－１．５－?Ｈ〇＞Ｙ?户?＇??！?＊２－０：?／?＼??ｒ２５：?／?＼?！??－３．０－?＼Ｂａ：－??１：｜?，ｃｅｒ???０．８?０．９?１．０?１．１?１．２?１３?１．４?１．５??Ｄｏｐａｎｔ?ｉｏｎｉｃ?ｒａｄｉｕｓ?［Ａ］??图１．５不同素掺杂元素离子半径对Ｃｅ０２电解质电导率的影响??掺杂Ｃｅ０２的缺陷方程如下：??Ｃｃ〇２?Ｉ??Ｒ２０３?—＾２ＲＣｅ?＋?３０＾?＋?Ｖ〇?（１－１４）??从上式可以看到，当掺杂元素含量增加时，氧空位浓度也随之增加，则电导率也??会增加，但是过量掺杂会导致掺杂的元素与氧空位相互蒂合而降低氧离子迁移速??率，不利于Ｃｅ０２Ｗ离子电导性能，一般情况下１０－２０％ｍｏｌ的掺杂量为最佳。与??Ｚｒ０２基电解质相比
【参考文献】：
期刊论文
[1]LSM-YSZ nano-composite cathode with YSZ interlayer for solid oxide fuel cells[J]. Zhongbo Liu,Zhe Zhao,Lei Shang,Dingrong Ou,Daan Cui,Baofeng Tu,Mojie Cheng. Journal of Energy Chemistry. 2017(03)
本文编号：3292015
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