中温固体氧化物燃料电池镧锶锰基阴极性能优化研究
发布时间：2022-01-07 05:37
固体氧化物燃料电池（SOFC）是能以最高效率从燃料中发电的装置。然而,传统的SOFC由于过高的操作温度（1000℃）会造成成本高、电池工作一段时间后性能严重下降等问题,无法实现商业化。为解决以上问题,可降低操作温度。但温度降低却会导致电池阴极的极化电阻显著增大,从而严重限制其输出性能。故减小阴极的极化损失以改进阴极性能是时下研究热点之一。钙钛矿结构的锰酸镧被锶掺杂后所形成的镧锶锰(La1-x-x SrxMnO3,LSM)阴极材料,仅仅在高温（800-1000℃）下工作时,才能实现高催化活性、高电子电导率及良好化学稳定性。中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）会很大地限制LSM的应用,这是由于中温（600-800℃）条件下LSM的氧离子电导率低以及反应的活化能高。本文依据当前关于SOFC的热点展开了探索。在中温条件下,基于增大LSM的离子电导率,并降低其极化电阻的想法,改进现有阴极材料LSM,将复合电解质材料SDC-CuO与LSM相结合,制备了复合阴极材料LSM/SDC-CuO并相应的单电池。本文的研究工作如下:（1）本...
【文章来源】：沈阳师范大学辽宁省
【文章页数】：39 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC工作原理图
物中掺杂的离子与主体离子的半径比值约为1.05，且t≈0.96时，离子导电性最佳[31]。大量研究者已经验证出了材料的传导率主要受A位元素的影响、B位元素的性质主要影响着阴极材料的催化活性。对A位或B位进行掺杂后，材料内部会产生更多的有助于氧催化还原反应进行的传输氧离子的氧空位，使阴极材料的离子导电性增强。同时为了确保整个钙钛矿结构的电中性而新生成电子空穴来帮助电子运动，进而提高材料相应的电子电导率，使得简单的ABO3型钙钛矿氧化物通过A位、B位元素掺杂后具有优良的离子-电子混合导电性和结构稳定性[32]。图1-2ABO3型钙钛矿氧化物结构示意图（二）LSM阴极材料的研究进展经典的钙钛矿材料中，镧锰矿（LaMnO3）和锶掺杂而成的镧锶锰（LaxSr1-xMnO3-δ，LSM）因其高温下的良好性能成为阴极材料的首眩LSM具有很高的电子传导性（在1000℃时约为180Scm-1），出色的催化性能以及高的热稳定性、机械稳定性和与其他电池组件的相容性。此外，LSM与氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）和钐掺杂的二氧化铈（SDC）等电解质材料热化学兼容，但LSM的低离子电导率限制了其在高温SOFC中的应用。同时出于成本及电池寿命等各方面因素的考虑，高温条件已不利于SOFC的发展。Jiang等研究发现，900℃时LSM的界面阻抗值仅为0.39Ωcm2，降温到700℃时，它的界面阻抗比在900℃时增大了100倍以上，达到了55.7Ωcm2，这说明随着工作温度的降低，LSM的极化电阻迅速增大，因此将温度降低至中温区（600-800℃）会极大地降低LSM阴极的性能[33-35]。为了改善LSM阴极的性能，通常添加离子导电材料以形成双相复合物，扩大氧还原反应的三相界面（TPB），并将电化学反应从电极/电解质界面处延伸到了整个阴极区域，同时降低了阴极的极化电阻。通常将具有较高离子电导率的电解质材
中温固体氧化物燃料电池镧锶锰基阴极性能优化研究19温度的SDC样品的电导率，这是因为从图中可以观察到，SDC-0.5mol%CuO的阻抗比在三种温度（1250℃、1300℃和1400℃）下烧结而成的SDC的阻抗都要低。图3-11250℃、1300℃和1400℃下烧结的SDC和1000℃烧结的SDC-0.5mol%CuO、SDC-1mol%CuO、SDC-2mol%CuO和SDC-3mol%CuO的交流阻抗谱
【参考文献】：
期刊论文
[1]固体氧化物燃料电池技术发展概述及应用分析[J]. 仙存妮. 电器工业. 2019(03)
[2]中高温固体氧化物燃料电池发电系统发展现状及展望[J]. 王雅,王傲. 船电技术. 2018(07)
[3]钙钛矿氧化物的化学结构及其催化性能的研究进展[J]. 曾佳,汪浩,朱满康,严辉. 材料导报. 2007(01)
[4]氧化锆基固体电解质材料的掺杂研究[J]. 吕振刚,郭瑞松,阮文彪,陈玉如. 兵器材料科学与工程. 2005(01)
[5]一种新的生物质气发电装置——固体氧化物燃料电池[J]. 尹艳红,朱威,夏长荣,孟广耀,郭庆祥. 可再生能源. 2004(03)
博士论文
[1]微纳米结构SOFC复合阴极的构筑及其表征[D]. 李娟.哈尔滨工业大学 2011
[2]CeO2基电解质的电性能研究及在中温固体氧化物燃料电池中的应用[D]. 严端廷.吉林大学 2010
本文编号：3573923
【文章来源】：沈阳师范大学辽宁省
【文章页数】：39 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC工作原理图
物中掺杂的离子与主体离子的半径比值约为1.05，且t≈0.96时，离子导电性最佳[31]。大量研究者已经验证出了材料的传导率主要受A位元素的影响、B位元素的性质主要影响着阴极材料的催化活性。对A位或B位进行掺杂后，材料内部会产生更多的有助于氧催化还原反应进行的传输氧离子的氧空位，使阴极材料的离子导电性增强。同时为了确保整个钙钛矿结构的电中性而新生成电子空穴来帮助电子运动，进而提高材料相应的电子电导率，使得简单的ABO3型钙钛矿氧化物通过A位、B位元素掺杂后具有优良的离子-电子混合导电性和结构稳定性[32]。图1-2ABO3型钙钛矿氧化物结构示意图（二）LSM阴极材料的研究进展经典的钙钛矿材料中，镧锰矿（LaMnO3）和锶掺杂而成的镧锶锰（LaxSr1-xMnO3-δ，LSM）因其高温下的良好性能成为阴极材料的首眩LSM具有很高的电子传导性（在1000℃时约为180Scm-1），出色的催化性能以及高的热稳定性、机械稳定性和与其他电池组件的相容性。此外，LSM与氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）和钐掺杂的二氧化铈（SDC）等电解质材料热化学兼容，但LSM的低离子电导率限制了其在高温SOFC中的应用。同时出于成本及电池寿命等各方面因素的考虑，高温条件已不利于SOFC的发展。Jiang等研究发现，900℃时LSM的界面阻抗值仅为0.39Ωcm2，降温到700℃时，它的界面阻抗比在900℃时增大了100倍以上，达到了55.7Ωcm2，这说明随着工作温度的降低，LSM的极化电阻迅速增大，因此将温度降低至中温区（600-800℃）会极大地降低LSM阴极的性能[33-35]。为了改善LSM阴极的性能，通常添加离子导电材料以形成双相复合物，扩大氧还原反应的三相界面（TPB），并将电化学反应从电极/电解质界面处延伸到了整个阴极区域，同时降低了阴极的极化电阻。通常将具有较高离子电导率的电解质材
中温固体氧化物燃料电池镧锶锰基阴极性能优化研究19温度的SDC样品的电导率，这是因为从图中可以观察到，SDC-0.5mol%CuO的阻抗比在三种温度（1250℃、1300℃和1400℃）下烧结而成的SDC的阻抗都要低。图3-11250℃、1300℃和1400℃下烧结的SDC和1000℃烧结的SDC-0.5mol%CuO、SDC-1mol%CuO、SDC-2mol%CuO和SDC-3mol%CuO的交流阻抗谱
【参考文献】：
期刊论文
[1]固体氧化物燃料电池技术发展概述及应用分析[J]. 仙存妮. 电器工业. 2019(03)
[2]中高温固体氧化物燃料电池发电系统发展现状及展望[J]. 王雅,王傲. 船电技术. 2018(07)
[3]钙钛矿氧化物的化学结构及其催化性能的研究进展[J]. 曾佳,汪浩,朱满康,严辉. 材料导报. 2007(01)
[4]氧化锆基固体电解质材料的掺杂研究[J]. 吕振刚,郭瑞松,阮文彪,陈玉如. 兵器材料科学与工程. 2005(01)
[5]一种新的生物质气发电装置——固体氧化物燃料电池[J]. 尹艳红,朱威,夏长荣,孟广耀,郭庆祥. 可再生能源. 2004(03)
博士论文
[1]微纳米结构SOFC复合阴极的构筑及其表征[D]. 李娟.哈尔滨工业大学 2011
[2]CeO2基电解质的电性能研究及在中温固体氧化物燃料电池中的应用[D]. 严端廷.吉林大学 2010
本文编号：3573923
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