碳氢燃料固体氧化物燃料电池阳极制备及电化学性能研究

发布时间：2017-08-18 23:12

  本文关键词：碳氢燃料固体氧化物燃料电池阳极制备及电化学性能研究

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【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)使用H_2为燃料最为理想,然而较高的生产和储运成本限制了其大规模的应用;与之相比,碳氢燃料价格低廉,便于大规模推广,但传统的镍基金属陶瓷阳极在使用碳氢燃料时会产生严重积碳,导致电池性能衰减。为解决这一问题,本论文分别制备了低Ni含量Ni_(1-x)Fe_xO_(1+δ)-SSZ复合材料阳极和全陶瓷La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(1-x)Fe_xO_(3-δ)阳极并进行相关研究。首先,本论文采用自燃烧法合成了不同Ni含量的Ni_(1-x)Fe_xO_(1+δ)粉体,研究表明当Fe掺杂量x不超过0.5时,Ni_(1-x)Fe_xO_(1+δ)还原产物仍能保持立方相Ni-Fe合金。分别以H2、CH_4和CO为燃料测定了不同Ni_(1-x)Fe_xO_(1+δ)-SSZ阳极SOFC单电池的性能,结果表明随Fe掺杂量x的增加,电池放电性能出现下降,但以Ni_(0.75)Fe_(0.25)O_(1+δ)-SSZ为阳极的SOFC单电池使用CH_4和CO为燃料时能够稳定工作10 h。对阳极积碳的研究表明电池长期稳定性与阳极积碳石墨化程度的变化有关。为进一步优化电池性能,采用浸渍法制备了Ni_(0.75)Fe_(0.25)O_(1+δ)-SSZ-CeO_2复合阳极,确定CeO_2的最佳浸渍量为20 wt%,电池在800?C下最大放电功率分别可达235.46(CH_4)和323.71 mW·cm-2(CO)。其次,本论文采用高温固相法制备了La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(1-x)Fe_xO_(3-δ)(LSCrFe)系列全陶瓷阳极材料,研究表明当掺杂量x为0.2~0.4时,LSCrFe在高温还原气氛中稳定性良好。当掺杂量x=0.4时LSCrFe电导率最大,800℃下氢气中达到1.49 S·cm-1;当掺杂量x=0.4时极化电阻最小,为1.358Ω·cm2,以其为阳极制成SOFC单电池,采用氢气为燃料时850℃下最大放电功率为122.65 mW·cm-2,而以CH_4和CO为燃料时性能较差。为进一步优化阳极性能,采用机械混合法制备LSCrFe-SDC阳极,研究发现,当复合阳极中SDC含量为30 wt%时极化电阻最小,为0.759Ω·cm2;电池以H2、CH_4和CO为燃料最大放电功率分别为151.24(850℃),90.93(950℃)和132.05 mW·cm-2(850℃);研究中还探索了浸渍法制备LSCr Fe-SDC浸渍复合阳极,确定SDC的最佳浸渍量为10 wt%,使用H2、CH_4和CO为燃料时SOFC的最大放电功率分别为251.35(850℃)、158.37(950℃)和223.33 mW·cm-2(850℃),并且阳极表面未发生明显积碳现象。
【关键词】：固体氧化物燃料电池 抗积碳阳极 Ni_(0.75)Fe_(0.25)O_(1+δ) La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(1-x)Fe_xO_(3-δ)
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-24
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9
• 1.2 固体氧化物燃料电池概述9-12
• 1.2.1 固体氧化物燃料电池的工作原理9-10
• 1.2.2 固体氧化物燃料电池关键材料10-12
• 1.3 碳氢燃料SOFC12-15
• 1.3.1 发展碳氢燃料SOFC的必要性12-13
• 1.3.2 以CH_4为燃料时SOFC工作原理13-14
• 1.3.3 以CO为燃料时SOFC工作原理14-15
• 1.4 碳氢燃料SOFC阳极材料研究进展15-22
• 1.4.1 金属陶瓷复合材料15-16
• 1.4.2 全陶瓷阳极16-22
• 1.5 本文主要研究内容22-24
• 第2章 实验材料与测试方法24-30
• 2.1 实验药品和实验仪器24-25
• 2.1.1 实验药品24-25
• 2.1.2 实验仪器25
• 2.2 性能表征方法25-27
• 2.2.1 X射线衍射分析25
• 2.2.2 扫描电子显微镜表征25-26
• 2.2.3 热膨胀特性表征26
• 2.2.4 拉曼光谱表征26
• 2.2.5 电导率的测试26-27
• 2.3 材料电化学性能表征27-30
• 2.3.1 电化学阻抗谱测试27-28
• 2.3.2 电池放电性能测试28-30
• 第3章 Ni_(1-x)Fe_xO_(1+δ) 阳极的制备及性能表征30-47
• 3.1 Ni_(1-x)Fe_xO_(1+δ) 阳极粉体的制备与结构表征30-35
• 3.1.1 Ni_(1-x)Fe_xO_(1+δ) 阳极粉体的制备30-31
• 3.1.2 不同Fe掺杂量粉体的物相表征31-33
• 3.1.3 不同Fe掺杂量对Ni_(1-x)Fe_xO_(1+δ) 热膨胀性能的影响33-35
• 3.2 Ni_(1-x)Fe_xO_(1+δ) 阳极粉体的电化学性能表征35-39
• 3.2.1 电池的EIS表征35-37
• 3.2.2 电池放电性能测试37-38
• 3.2.3 电池长期稳定性研究38-39
• 3.3 阳极积碳对电池性能影响的分析39-43
• 3.3.1 阳极积碳的结构研究39-41
• 3.3.2 阳极积碳的形貌研究41-43
• 3.4 Ni_(0.75)Fe_(0.25)O_(1+δ)-SSZ-CeO_2复合阳极的研究43-46
• 3.4.1 Ni_(0.75)Fe_(0.25)O_(1+δ)-SSZ-CeO_2复合阳极的制备43-44
• 3.4.2 Ni_(0.75)Fe_(0.25)O_(1+δ)-SSZ-CeO_2复合阳极的电化学性能研究44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(1-x)Fe_xO_(3-δ) 阳极的制备及性能表征47-70
• 4.1 La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(1-x)Fe_xO_(3-δ) 阳极粉体的制备工艺研究47-51
• 4.1.1 阳极粉体的制备47-48
• 4.1.2 煅烧条件对物相结构的影响48-49
• 4.1.3 煅烧温度对物相结构的影响49-50
• 4.1.4 阳极粉体的形貌表征50-51
• 4.2 La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(1-x)Fe_xO_(3-δ) 阳极粉体的结构表征51-54
• 4.2.1 不同Fe掺杂量对粉体物相的影响51-52
• 4.2.2 La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(1-x)Fe_xO_(3-δ) 在还原气氛中稳定性的研究52-53
• 4.2.3 La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(1-x)Fe_xO_(3-δ) 与SSZ电解质化学相容性的研究53-54
• 4.3 La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(1-x)Fe_xO_(3-δ) 阳极的电化学性能表征54-58
• 4.3.1 电导率的研究54-55
• 4.3.2 对称电池的EIS表征55-56
• 4.3.3 电池放电性能的测试56-58
• 4.4 La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(0.6)Fe_(0.4)O_(3-δ)-SDC复合阳极的研究58-62
• 4.4.1 La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(0.6)Fe_(0.4)O_(3-δ) 与SDC电解质化学相容性的研究59
• 4.4.2 对称电池的EIS表征59-61
• 4.4.3 电池放电性能测试61-62
• 4.5 浸渍法制备La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(0.6)Fe_(0.4)O_(3-δ)-SDC复合阳极的研究62-68
• 4.5.1 浸渍阳极形貌的分析63-65
• 4.5.2 浸渍阳极结构的分析65-66
• 4.5.3 单电池放电性能测试66-68
• 4.6 La_(0.6)Sr_(0.4)Cr_(0.6)Fe_(0.4)O_(3-δ)-SDC阳极积碳行为的研究68-69
• 4.7 本章小结69-70
• 结论70-71
• 参考文献71-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果80-82
• 致谢82

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本文编号：697304