低温固体氧化物电池氧化铈-碳酸盐复合电解质电化学性能研究

发布时间：2021-09-22 23:52

　　可逆固体氧化物电池（RSOC）是一种新型能量转化装置,具有高效率、无污染和模块化等优点。在固体氧化物燃料电池（SOFC）模式下,它能够直接将燃料中的化学能直接转变为电能,而在固体氧化物电解池（SOEC）模式下,它也可以通过电解水制氢等方式将热能和电能转化为化学能进行存储。具有高离子导电的氧化铈-碳酸盐复合物是可逆固体氧化物电池（SOC）中一种非常有前景的电解质材料。理想微观结构,如复相材料大界面且分布均匀元素/相,将有利于电性能增强和离子传导机制的研究。在本文工作中,我们通过原位一锅一步柠檬酸-硝酸盐燃烧成功合成了具有不同碳酸盐含量的、元素/相分布均匀的、界面耦合强的Sm_0.2Ce_0.8O₂-Na₂CO₃（NSDC）纳米复合材料。与常规方法制备的复合电解质相比,NSDC表现出不同的特性,表现出极其优秀的质子传导率,在650℃时达到0.045 S·cm^-1,高出氧化物质子导体约5倍。基于所得NSDC9010纳米复合电解质与LiNiO₂对... 

【文章来源】：深圳大学广东省

【文章页数】：80 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

不同离子导电型复合电解质的SOFC工作原理示意图，（a）质子导体，（b）氧离子导体和（c）

低温固体氧化物电池氧化铈-碳酸盐复合电解质电化学性能研究51.2.2SOEC的工作原理固体氧化物电解池（SOEC）作为一种将电能和热能转化为稳定的化学能的电化学装置，其具体应用于电解水制备氢气和氧气、电二氧化碳制备一氧化碳及电解混合气（水蒸气和二氧化碳）制备合成气等[4]。氢气是一种可再生能源载体，因其具有环境友好和能量密度高等特点，因此开发持续高效地制氢技术一直是广泛研究者们数百年来的研究热点，尤其是在电解水制氢方面上。相比其它电解水制氢技术，在高温运行下的固体氧化物电解池（SOEC）不但可以在低电压下高效地电解水产生氢气，而且能减少对电能的消耗[5]。SOEC的能量来源可以来自于可再生能源或核能等能源提供的热能和电能[6]，实现环保且持续保持高效地大规模生产氢气。其不仅能够将H2O转化为燃料气体，如氢气，还可以将电能转化为稳定的化学能储存起来，如甲烷、乙醇等。从结构上看，SOEC和SOFC基本一致。但从工作原理上看，SOEC可以看作是SOFC的逆向操作[7]，其工作原理如图1-2所示。以O2-导电型SOEC为例，其电极反应为：阳极：e4OO222(1-20)阴极：222OHe2OH(1-21)总反应：222OH2OH2(1-22)图1-2氧离子导电电解质基SOEC模式的工作原理示意图Figure1-2SchematicdiagramofworkingprincipleofSOECmodewithoxygenionicconductor在SOEC燃料电极上，水分子得到电子迅速被还原成氢气和氧离子，氧离子通过电池内部的电解质，在氧电极（SOEC阴极）形成氧分子，同时释放出电子。热能和电能构成了SOEC电解水过程中的总能量：

低温固体氧化物电池氧化铈-碳酸盐复合电解质电化学性能研究7图1-3集成了SOFC和SOEC模式的RSOC工作原理图：Figure1-3SchematicdiagramfortheoperationofRSOCincludingSOFCandSOECmodesSOFC与SOEC模式运行过程中的能效公式：2SOFCHinoutLHVHW(1-27)ininHoutQWLHVH2SOEC(1-28)式中，η表示为转换效率，H表示为H2的摩尔通量，W表示电能，Q表示热能，则LHV表示氢的低热值。其中电能为：JVW(1-29)根据Nerrnst方程和Kirchhoff定律:JVASR(1-30)FJH)(2out(1-31)式中，V表示电池两端电压，J表示电流密度，ASR表示面积比电阻。所以，能效公式可以换算为：)(22HinSOFCLHVHASRV(1-32))(22ininHSOECQWASRLHVV(1-33)


本文编号：3404604