低温固体氧化物燃料电池纳米复合及性能优化的研究
发布时间：2021-07-21 14:52
固体氧化物燃料电池（SOFC）具有能量转化率高、清洁无污染以及全固态无贵金属部件等优势,受到了越来越多的研究者关注。目前,提升SOFC在600℃以下低温条件中的功率密度及工作稳定性是极其必要的。本文针对包覆碳酸钠的钐掺杂氧化铈（NSDC）体系的低温纳米复合SOFC的工作性能进行了理论模拟计算,通过搭建的SOFC测试平台对合成制备的NSDC体系低温纳米复合SOFC单电池工作性能及稳定性进行了实验及分析,探讨优化低温纳米复合SOFC性能的途径。本文主要研究内容及所得结论如下:（1）借助SOFC一维通量平衡模型对NSDC体系复合SOFC在600℃下的j-V曲线进行了理论计算,并对温度、阴极气体压强、电池结构及燃料浓度对其性能影响进行讨论分析,得出温度、电池结构对电池性能影响比较明显,而阴极气体压强及燃料浓度的影响则相反的结论;（2）利用CFD模型模拟了NSDC体系纳米复合SOFC在工作时气体流道及温度分布情况。分析了复合电解质内部不同载流子随温度改变产生的比例变化趋势,结果表明NSDC体系复合电解质SOFC的最高功率密度下内部质子传导在所有载流子传导中的所占比例随温度的增高而逐渐上升,而氧离...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC内部结构及其工作原理示意图
?臀耂OFC电解质材料。与YSZ（掺杂氧化钇的氧化锆材料）等常见的高温SOFC电解质材料相比，铈基电解质材料在中低温条件下的离子传导率明显更高，还具有更为合适热膨胀系数。铈元素拥有Ce3+及Ce4+两种稳定的离子形式，因此可以在纯氧化铈中形成允许氧离子扩散的氧空位[3]。为提高其中的氧空位浓度从而提高电导率，可以在纯氧化铈中掺入其他离子形成新的铈基电解质材料，典型的铈基电解质材料例如Ce0.9Gd0.1O1.95（GDC）以及Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）均可在500-600℃的工作条件下得到1.3～2.1S/m的电导率[18]，图1-2显示了不同温度下SDC内掺杂浓度与电导率间的关系图线[19]。除了以上常见的GDC及SDC材料以外，还有掺杂氧化钇的氧化铈（YDC）以及掺杂了氧化镧的氧化铈（LDC）等中低温SOFC电解质材料[20]。图1-2不同温度下SDC内掺杂浓度与电导率间的关系[19]（2）掺杂BaCeO3等质子传导低温SOFC电解质材料。除可以传导氧离子的铈基中低温SOFC电解质材料外，具有质子传导能力的铈基电解质材可保持燃料的纯净以便循环利用，还具有较低的材料成本及较高系统的运行效率等优势。质子传导电解质材料一般为钙钛矿结构（ABO3），如掺杂BaCeO3材料[21]，这些氧化物内的晶格氧空位可在高温下通过吸收水蒸气或氢气而生成质子缺陷，因而具有质子传导能力[22]。掺
东南大学硕士学位论文4杂BaCeO3材料在800℃下可取得1S/m以上的电导率，其电子传导能力要低于CeO2，因此可提高SOFC的开路电压及工作效率[23]。图1-3显示了以Ni-BaCeO3及BSCF-BSCO为电极、掺杂BaCeO3材料为电解质的SOFC在不同温度下的性能。除掺杂BaCeO3材料外，还有SrCeO3、BaZrO3等其他形式的钙钛矿结构的质子传导低温SOFC电解质材料[3][4]。图1-3以掺杂BaCeO3材料为电解质的SOFCj-V以及功率密度性能曲线[24]（3）钙钛矿结构的氧离子传导低温SOFC电解质材料。某些具有钙钛矿结构的化合物也可以传导氧离子，如镓酸镧（LaGaO3）等复合氧化物。在镓酸镧中复合入Sr3+与Mg2+离子后形成的LSGM（La1-xSrxGa1-yMgyO3）材料在500～600℃下的离子电导率可达1S/m[25]。相比铈基的低温SOFC电解质材料，LSGM的优势在于其在各种化学气氛下的性能都十分稳定。在LSGM中进一步掺入Co3+等离子获得的LSGMC（La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2-xMxO3，M为Fe、Co、Mn或Cr）材料可进一步提升电解质在低温环境下的电导率，但掺入过多离子会导致性能下降[26]。除以上几类电解质外，可同时传导两种载流子的低温SOFC复合电解质也越来越受到关注。复合电解质，例如NSDC（Ce0.8Sm0.2O1.9-Na2CO3，包裹碳酸钠的掺杂氧化钐的氧化铈）材料及NaCl/Al2O3等卤化物-氧化物复合电解质材料可在较低温度取得更高的电导率，可达传统电解质的数十倍及以上[4]，本文将在后面具体讨论复合电解质的性质。1.2.2中低温SOFC的电极材料简介SOFC中的电极材料可以起到将电子传导给外电路并为燃料及氧化剂提供反应场所的作用。电极材料分为阴极及阳极材料，SOFC中的电化学反应主要发生于电极-电解质-空气接触的三相界处（TPB）[17]，如图1-4
【参考文献】：
期刊论文
[1]固体氧化物燃料电池（SOFC）系统的研究现状[J]. 吴雨泽,王宇旸,范红途. 能源研究与利用. 2019(01)
[2]燃料电池的应用和发展现状[J]. 杨润红,陈允轩,陈庚,陈梅倩,李国岫. 平顶山学院学报. 2006(02)
博士论文
[1]太阳能与固体氧化物电解池联合制氢关键技术的研究[D]. 陆玉正.东南大学 2017
[2]固体氧化物燃料电池堆的多物理场全耦合建模和理论模拟[D]. 李昂.中国科学技术大学 2016
[3]以碳氢化合物为燃料的中温固体氧化物燃料电池阳极和电解质的制备和性能表征[D]. 丁冬.中国科学技术大学 2008
硕士论文
[1]固体氧化物燃料电池多物理场模拟与结构优化[D]. 施红玉.中国科学技术大学 2017
[2]带CO2捕捉的SOFC-GT混合系统仿真研究[D]. 程刚.大连理工大学 2012
[3]固体氧化物燃料电池合金基阳极材料的制备和性能研究[D]. 王西宝.吉林大学 2009
本文编号：3295235
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC内部结构及其工作原理示意图
?臀耂OFC电解质材料。与YSZ（掺杂氧化钇的氧化锆材料）等常见的高温SOFC电解质材料相比，铈基电解质材料在中低温条件下的离子传导率明显更高，还具有更为合适热膨胀系数。铈元素拥有Ce3+及Ce4+两种稳定的离子形式，因此可以在纯氧化铈中形成允许氧离子扩散的氧空位[3]。为提高其中的氧空位浓度从而提高电导率，可以在纯氧化铈中掺入其他离子形成新的铈基电解质材料，典型的铈基电解质材料例如Ce0.9Gd0.1O1.95（GDC）以及Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）均可在500-600℃的工作条件下得到1.3～2.1S/m的电导率[18]，图1-2显示了不同温度下SDC内掺杂浓度与电导率间的关系图线[19]。除了以上常见的GDC及SDC材料以外，还有掺杂氧化钇的氧化铈（YDC）以及掺杂了氧化镧的氧化铈（LDC）等中低温SOFC电解质材料[20]。图1-2不同温度下SDC内掺杂浓度与电导率间的关系[19]（2）掺杂BaCeO3等质子传导低温SOFC电解质材料。除可以传导氧离子的铈基中低温SOFC电解质材料外，具有质子传导能力的铈基电解质材可保持燃料的纯净以便循环利用，还具有较低的材料成本及较高系统的运行效率等优势。质子传导电解质材料一般为钙钛矿结构（ABO3），如掺杂BaCeO3材料[21]，这些氧化物内的晶格氧空位可在高温下通过吸收水蒸气或氢气而生成质子缺陷，因而具有质子传导能力[22]。掺
东南大学硕士学位论文4杂BaCeO3材料在800℃下可取得1S/m以上的电导率，其电子传导能力要低于CeO2，因此可提高SOFC的开路电压及工作效率[23]。图1-3显示了以Ni-BaCeO3及BSCF-BSCO为电极、掺杂BaCeO3材料为电解质的SOFC在不同温度下的性能。除掺杂BaCeO3材料外，还有SrCeO3、BaZrO3等其他形式的钙钛矿结构的质子传导低温SOFC电解质材料[3][4]。图1-3以掺杂BaCeO3材料为电解质的SOFCj-V以及功率密度性能曲线[24]（3）钙钛矿结构的氧离子传导低温SOFC电解质材料。某些具有钙钛矿结构的化合物也可以传导氧离子，如镓酸镧（LaGaO3）等复合氧化物。在镓酸镧中复合入Sr3+与Mg2+离子后形成的LSGM（La1-xSrxGa1-yMgyO3）材料在500～600℃下的离子电导率可达1S/m[25]。相比铈基的低温SOFC电解质材料，LSGM的优势在于其在各种化学气氛下的性能都十分稳定。在LSGM中进一步掺入Co3+等离子获得的LSGMC（La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2-xMxO3，M为Fe、Co、Mn或Cr）材料可进一步提升电解质在低温环境下的电导率，但掺入过多离子会导致性能下降[26]。除以上几类电解质外，可同时传导两种载流子的低温SOFC复合电解质也越来越受到关注。复合电解质，例如NSDC（Ce0.8Sm0.2O1.9-Na2CO3，包裹碳酸钠的掺杂氧化钐的氧化铈）材料及NaCl/Al2O3等卤化物-氧化物复合电解质材料可在较低温度取得更高的电导率，可达传统电解质的数十倍及以上[4]，本文将在后面具体讨论复合电解质的性质。1.2.2中低温SOFC的电极材料简介SOFC中的电极材料可以起到将电子传导给外电路并为燃料及氧化剂提供反应场所的作用。电极材料分为阴极及阳极材料，SOFC中的电化学反应主要发生于电极-电解质-空气接触的三相界处（TPB）[17]，如图1-4
【参考文献】：
期刊论文
[1]固体氧化物燃料电池（SOFC）系统的研究现状[J]. 吴雨泽,王宇旸,范红途. 能源研究与利用. 2019(01)
[2]燃料电池的应用和发展现状[J]. 杨润红,陈允轩,陈庚,陈梅倩,李国岫. 平顶山学院学报. 2006(02)
博士论文
[1]太阳能与固体氧化物电解池联合制氢关键技术的研究[D]. 陆玉正.东南大学 2017
[2]固体氧化物燃料电池堆的多物理场全耦合建模和理论模拟[D]. 李昂.中国科学技术大学 2016
[3]以碳氢化合物为燃料的中温固体氧化物燃料电池阳极和电解质的制备和性能表征[D]. 丁冬.中国科学技术大学 2008
硕士论文
[1]固体氧化物燃料电池多物理场模拟与结构优化[D]. 施红玉.中国科学技术大学 2017
[2]带CO2捕捉的SOFC-GT混合系统仿真研究[D]. 程刚.大连理工大学 2012
[3]固体氧化物燃料电池合金基阳极材料的制备和性能研究[D]. 王西宝.吉林大学 2009
本文编号：3295235
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