钙钛矿基固体氧化物燃料电池陶瓷阳极材料的制备及电化学性能研究
发布时间：2021-06-25 21:44
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种直接将燃料的化学能转换为电能的发电装置,目前使用的SOFC依然以H2作为主要的燃料,而SOFC相对于其它种类的燃料电池是“吃粗粮”的燃料电池,其燃料不仅可以使用氢气,还可以使用碳氢类燃料。但是,经典的Ni基阳极由于其存在积碳、镍粒粗化、硫中毒等现象,从而降低SOFC的功率性能和操作寿命,因此并不适合直接使用碳氢类作为燃料。因此,开发与碳氢类燃料相适应的新型陶瓷阳极是当前研究热点课题。目前研究表明,混合电子-离子导体（MIEC）氧化物陶瓷阳极表现出良好的抗硫抗积碳能力。本论文具体内容如下:论文第一章简单综述了SOFC的工作原理,主要构型及关键材料;重点概述了阳极的主要材料类型、阳极性能的优化方法,并介绍了电化学阻抗谱的时间弛豫分布（EIS-DRT）分析方法;针对SOFC阳极材料存在的问题提出了本论文的研究内容和研究目标。第二章对本论文中涉及粉体的制备方法、单电池的制备过程、相关测试样品的制备方法进行简单介绍,并对本论文实验涉及的表征和测试进行了简述。第三章中通过改进的柠檬酸盐-EDTA-硝酸盐燃烧法制备了SrFe0.8<...
【文章来源】：齐鲁工业大学山东省
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC工作原理图
齐鲁工业大学硕士学位论文3阴极：-22O4e2O(0.1)阳极：2--22HOHO+2e(0.2)总反应：2222HO2HO(0.3)1.2.3SOFC构型在研究过程中先后出现过很多种SOFC构型，如：管式、平板式、瓦楞式、基片式、锥管式等[12-17]。经过长期的发展和优化，目前主要采用的SOFC结构类型有平板式、管式、瓦楞式三种，它们的示意图如图1.2所示。图1.2三种常见SOFC构型（1）平板式SOFC平板式SOFC的单电池为平板状阳极层、电解质层和阴极层堆叠而成。单电池之间靠双极板连接，双极板两侧平行布置气道。其几何结构最为简单，因此制备成本与复杂程度低，电流路程短，气体传输形式取决与双极板气道。其缺点是密封较为困难和热循环稳定性差[14]。（2）管式SOFC管状SOFC通常为电极支撑的直管状结构。由于圆柱管状结构特点，所以它具有抗应力能力强、组装简单、易于密封等优点。但是该结构使得电流通过电池的路径较长，导致欧姆损耗较大，降低了电池的功率密度[12]。（3）瓦楞式SOFC瓦楞式SOFC其结构为由阳极层、电解质层、阴极层组成的瓦楞型，用平面双极板将瓦楞状单电池连接并分隔开，单电池与双极板的空隙作为其空气和燃料的气道。这种结构由于其反应面积扩大，提升了其输出功率密度。但是由于结构复杂，组装难度大，成本较高[13]。
齐鲁工业大学硕士学位论文212.2粉体制备本实验中使用的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)和Sm0.2Ce0.8O2-δ(SDC)粉体采用柠檬酸-硝酸盐法制备。我们以LSGM材料为例，介绍一下柠檬酸盐-硝酸盐燃烧法制备过程。首先，将化合计量比的La2O3、SrCO3、Ga(NO3)3·xH2O、C4H6O4Mg·4H2O前驱体溶于稀硝酸溶液，添加顺序为首先添加不溶于水的氧化物，再添加溶于水的硝酸盐和乙酸盐，先添加无色物质，再添加有色物质。待溶解完全后，按照金属离子和柠檬酸物质的量比为1：1.5加入柠檬酸，然后使用氨水调节pH值至~7。在60oC搅拌10h形成熔胶态，再将溶胶转移到蒸发皿中，使用万用电阻炉进行加热，直至溶胶形成凝胶并点燃，燃烧结束后收集灰黑色粉末。将收集粉末在1100oC热处理3h变获得LSGM粉体。因钨离子在酸性介质中易沉淀，SrFe1-xWxO3-δ(x=0.1，0.2)、SrFe0.8-xW0.2NixO3-δ(x=0.05，0.1)、SrCo1-xWxO3-δ(x=0.05，0.1，0.15)等含W元素粉体通过改良的柠檬酸盐-EDTA-硝酸盐燃烧法制备。以SrFe1-xWxO3-δ为例介绍制备过程，如图2.1所示。首先，根据SrFe1-xWxO3-δ的化学计量比，将SrCO3和Fe(NO3)3·9H2O溶解在稀硝酸溶液中，将(NH4)10W12O41·xH2O溶解在超纯水中，分别向两种溶液中加入EDTA和柠檬酸络合剂，EDTA：柠檬酸：金属离子摩尔比为1：1：1，60oC水浴加热搅拌溶解后，用氨水将两种溶液的pH值调节至~7。然后将两种溶液混合，继续60oC水浴搅拌6h形成溶胶态。通过以上过程，避免了W离子的沉淀。将溶胶在蒸发皿中进一步加热为凝胶态，然后继续加热至燃烧，得到黑色粉末。收集的黑色粉末在1100oC焙烧3h获得单相SrFe1-xWxO3-δ粉体。图2.1SrFe1-xWxO3-δ粉体制备流程图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fabrication and optimization of La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ electrode for symmetric solid oxide fuel cell with zirconia based electrolyte[J]. Na Xu,Tenglong Zhu,Zhibin Yang,Minfang Han. Journal of Materials Science & Technology. 2017(11)
[2]铈基氧化物在固体氧化物燃料电池中的应用[J]. 武卫明,张长松,阎冬,侯绍刚,田大勇,郑勇. 稀土. 2017(04)
[3]新型复合支撑体共烧制备致密La0.7Ca0.3Cr0.97O3-δ连接体薄膜[J]. 王松林,凤仪,王东生,孟广耀. 无机材料学报. 2012(09)
博士论文
[1]中低温固体氧化物燃料电池新材料与结构设计及电化学性能研究[D]. 孙文平.中国科学技术大学 2013
[2]固体氧化物燃料电池的相转化及流延法制备研究[D]. 肖进.中国科学技术大学 2012
[3]质子导体固体氧化物燃料电池的制备及其电化学研究[D]. 毕磊.中国科学技术大学 2009
本文编号：3249984
【文章来源】：齐鲁工业大学山东省
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC工作原理图
齐鲁工业大学硕士学位论文3阴极：-22O4e2O(0.1)阳极：2--22HOHO+2e(0.2)总反应：2222HO2HO(0.3)1.2.3SOFC构型在研究过程中先后出现过很多种SOFC构型，如：管式、平板式、瓦楞式、基片式、锥管式等[12-17]。经过长期的发展和优化，目前主要采用的SOFC结构类型有平板式、管式、瓦楞式三种，它们的示意图如图1.2所示。图1.2三种常见SOFC构型（1）平板式SOFC平板式SOFC的单电池为平板状阳极层、电解质层和阴极层堆叠而成。单电池之间靠双极板连接，双极板两侧平行布置气道。其几何结构最为简单，因此制备成本与复杂程度低，电流路程短，气体传输形式取决与双极板气道。其缺点是密封较为困难和热循环稳定性差[14]。（2）管式SOFC管状SOFC通常为电极支撑的直管状结构。由于圆柱管状结构特点，所以它具有抗应力能力强、组装简单、易于密封等优点。但是该结构使得电流通过电池的路径较长，导致欧姆损耗较大，降低了电池的功率密度[12]。（3）瓦楞式SOFC瓦楞式SOFC其结构为由阳极层、电解质层、阴极层组成的瓦楞型，用平面双极板将瓦楞状单电池连接并分隔开，单电池与双极板的空隙作为其空气和燃料的气道。这种结构由于其反应面积扩大，提升了其输出功率密度。但是由于结构复杂，组装难度大，成本较高[13]。
齐鲁工业大学硕士学位论文212.2粉体制备本实验中使用的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)和Sm0.2Ce0.8O2-δ(SDC)粉体采用柠檬酸-硝酸盐法制备。我们以LSGM材料为例，介绍一下柠檬酸盐-硝酸盐燃烧法制备过程。首先，将化合计量比的La2O3、SrCO3、Ga(NO3)3·xH2O、C4H6O4Mg·4H2O前驱体溶于稀硝酸溶液，添加顺序为首先添加不溶于水的氧化物，再添加溶于水的硝酸盐和乙酸盐，先添加无色物质，再添加有色物质。待溶解完全后，按照金属离子和柠檬酸物质的量比为1：1.5加入柠檬酸，然后使用氨水调节pH值至~7。在60oC搅拌10h形成熔胶态，再将溶胶转移到蒸发皿中，使用万用电阻炉进行加热，直至溶胶形成凝胶并点燃，燃烧结束后收集灰黑色粉末。将收集粉末在1100oC热处理3h变获得LSGM粉体。因钨离子在酸性介质中易沉淀，SrFe1-xWxO3-δ(x=0.1，0.2)、SrFe0.8-xW0.2NixO3-δ(x=0.05，0.1)、SrCo1-xWxO3-δ(x=0.05，0.1，0.15)等含W元素粉体通过改良的柠檬酸盐-EDTA-硝酸盐燃烧法制备。以SrFe1-xWxO3-δ为例介绍制备过程，如图2.1所示。首先，根据SrFe1-xWxO3-δ的化学计量比，将SrCO3和Fe(NO3)3·9H2O溶解在稀硝酸溶液中，将(NH4)10W12O41·xH2O溶解在超纯水中，分别向两种溶液中加入EDTA和柠檬酸络合剂，EDTA：柠檬酸：金属离子摩尔比为1：1：1，60oC水浴加热搅拌溶解后，用氨水将两种溶液的pH值调节至~7。然后将两种溶液混合，继续60oC水浴搅拌6h形成溶胶态。通过以上过程，避免了W离子的沉淀。将溶胶在蒸发皿中进一步加热为凝胶态，然后继续加热至燃烧，得到黑色粉末。收集的黑色粉末在1100oC焙烧3h获得单相SrFe1-xWxO3-δ粉体。图2.1SrFe1-xWxO3-δ粉体制备流程图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fabrication and optimization of La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ electrode for symmetric solid oxide fuel cell with zirconia based electrolyte[J]. Na Xu,Tenglong Zhu,Zhibin Yang,Minfang Han. Journal of Materials Science & Technology. 2017(11)
[2]铈基氧化物在固体氧化物燃料电池中的应用[J]. 武卫明,张长松,阎冬,侯绍刚,田大勇,郑勇. 稀土. 2017(04)
[3]新型复合支撑体共烧制备致密La0.7Ca0.3Cr0.97O3-δ连接体薄膜[J]. 王松林,凤仪,王东生,孟广耀. 无机材料学报. 2012(09)
博士论文
[1]中低温固体氧化物燃料电池新材料与结构设计及电化学性能研究[D]. 孙文平.中国科学技术大学 2013
[2]固体氧化物燃料电池的相转化及流延法制备研究[D]. 肖进.中国科学技术大学 2012
[3]质子导体固体氧化物燃料电池的制备及其电化学研究[D]. 毕磊.中国科学技术大学 2009
本文编号：3249984
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3249984.html
