固体氧化物燃料电池Ni-Fe阳极结构调控研究

发布时间：2020-06-04 13:23

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)由于燃料适用性广、效率高、余热利用价值高等优点,受到越来越多的关注。Ni-Fe多孔合金具有高导电、高机械强度等优点,是极具发展潜力的SOFC阳极材料。本文为了提高SOFC单电池的功率密度,使用XRD,SEM,孔隙率测试等表征手段考察了其结构和微观形貌,实验采用化学共沉淀法制备阳极材料,研究Ni-Fe含量和制备工艺对阳极结构的影响。由于SOFC工作温度太高,工作状态下阳极内部的电化学反应过程难以观察。本文建立Ni-Fe多孔合金阳极支撑型SOFC数学模型,采用电化学动力学方程和质量、能量、动量、电荷守恒方程描述电池内的流动、传热和化学组分传递等物理过程。耦合浓物质传递、二次电流、化学反应、自由多孔介质流动和多孔介质传热过程,采用经验证后的模型研究阳极内部化学反应过程和阳极结构参数对电池输出性能的影响,为燃料电池阳极结构设计提供理论参考。实验得出Ni-Fe支撑层的最佳配比为:Ni O+10 wt.%Fe_2O_3,最佳烧结和还原温度分别为1450~o C和650~o C。当烧结温度超过1500~o C时样品出现变形并有明显裂缝,当还原温度超过750~o C时样品出现裂缝。通过模拟结果发现,使用SOFC单电池作为模型时,其温度由进口侧沿气体流动方向逐渐升高,在单电池中后部温度达到最高,出口侧温度稍有降低;在SOFC阳极中的甲烷重整反应主要发生在阳极底部靠近气体通道的区域,为电化学反应提供H_2的同时也会消耗电化学反应产生的H_2O和热量;燃料气体中CH_4、CO、H_2的浓度沿气体流动方向减少,而CO_2、H_2O的浓度分布与CO和H_2相反。在电池厚度方向上,由于受到多孔介质传质阻力的影响,气体浓度会稍有下降;对比三种燃料气体发现减小阳极功能层孔隙率、增大阳极支撑层孔隙率和减小阳极支撑层厚度都可以在一定程度上提高SOFC的功率密度,而优化阳极支撑层结构参数可使阳极浓度极化减小。
【图文】：

阳极,制备流程,功能层,制作工艺

第二章实验方案第二章实验方案2.1 研究方案实验研究 SOFC 的阳极 Ni/Fe 含量、制备工艺参数等对阳极孔隙率、比表面积的影响。迄今为止，有很多种方法可以制备 SOFC 材料，其中最为常用的方法有水热合成法、固相法和化学共沉淀法等等[67]。实验为制备磁性良好、颗粒尺寸均匀的阳极粉体材料，采用化学共沉淀法制备 SOFC 阳极材料。试验流程如图 2.1 所示。

图像,样品,衍射峰,两相复合

第二章 XRD 图谱。从图 2.2 中可以看出，高温烧结后的样品仅包含 NiO 或e2O4的两相复合结构，且随着样品中 Fe 含量的增加，NiO 的峰强度 700oC 氢气还原后的样品 XRD 图谱如图 2.3 所示只有 Ni 的衍射峰e 已经进入了 Ni 的晶格结构，形成了具有面心立方结构的 Ni-Fe 合样品中 Fe 含量的增加，衍射峰的 2θ向小角度发生偏移，，并且在图氧化物，这说明样品已经充分还原。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4

【参考文献】