Pr 2 NiO 4+δ 基中温固体氧化物燃料电池阴极材料的研究
发布时间：2021-11-29 07:05
为解决中国正面临的能源缺乏与环境污染问题,实现社会可持续发展,中国需要寻找可持续能源来满足人类生产生活需求。燃料电池因其高效、安全、清洁的优势,成为可持续能源发展道路上的一个优秀候选者。其中固体氧化物燃料电池（SOFC）以其高效率、可靠性高、优良的环境效益等的特点,得到众多研究者的广泛关注。但是,SOFC的工作温度往往高达1000℃,对其配套设备与材料的要求较为苛刻,阻碍了其商业化应用。因此,开发工作温度为600～800℃的中温SOFC具有重要的工程意义。而对SOFC阴极材料、阳极材料以及电解质的开发与优化是降低SOFC工作温度的有效途径。大量文献表明,作为一种新型的中温SOFC阴极材料,结构的氧化物材料与传统氧化物材料相比,拥有较好的氧离子扩散性能、氧表面交换性能以及混合离子电子传导性能,因此成为该领域的研究热点。在该类型的阴极材料中,基氧化物表现尤为突出。本文针对中温SOFC的开发需求,以基氧化物为基础,通过掺杂改性、复合、材料表征、电池组装和单电池发电性能测试对该体系材料作为SOFC阴极的可行性进行了系统的实验研究。实验结果如下:采用高温固相反应法合成Pr2...
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC工作示意图[5]
第1章文献综述-6-出新的挑战。由于氧还原反应和氧离子传导过程具有热激活特性，因此降低SOFC操作温度时，目前相对成熟的阴极材料会出现性能急剧下降的现象，其阻抗会明显增大，不再适用该条件下的运行系统。探索新型阴极材料成为发展中温SOFC的重要任务之一。1.4SOFC阴极材料研究现状目前，研究的SOFC阴极基本上是贵金属材料、钙钛矿型阴极材料、双钙钛矿型阴极材料和和类钙钛矿型阴极材料等。下面将分别介绍上面几种SOFC阴极材料的国内外研究现状。（1）贵金属材料SOFC研究初期，使用银、铂、钯等贵金属，用其做SOFC阴极材料优点是有良好的吸附和催化功能。不足之处在于高温下易挥发，可能会使电极中毒；与电解质之间的热匹配性差，电极易脱落；成本较高，不适于商业化，也正因为贵金属材料价格成本太高，很难进入工业化阶段，现在贵金属材料基本已不被使用。（2）钙钛矿型（ABO3）阴极材料图2.2ABO3型钙钛矿晶体结构[23]Fig.1.2CrystalstructureofaABO3perovskiteoxide[23]钙钛矿型氧化物，结构通式为ABO3，结构示意图如图1.2所示，它也是最早被研究的SOFC阴极材料。钙钛矿晶体晶型结构包括正交、菱形和四方等，A位与B位总化合价为正六价，A位阳离子半径相对较大，与氧离子的配位数是12，通常被离子半径较大的镧系元素或稀土金属阳离子所占据，B位离子半径较小，与氧离子的配位数是6，通常被过渡金属离子所占据[15]。当对A位、B位金属离子进行部分或者全部取代时，会对材料性质带来影响。当用低价态的金属离子部分取代A位阳离子时，会打破该取代区域的电荷平衡，为了保持电中性，晶格结构
第1章文献综述-8-[29]。这类氧化物具备较高的氧表面交换系数和较高的电导率。但此类钴基化合物的热膨胀系数也比较高，但是可通过在其结构中掺杂其它元素来调节其热膨胀系数的大小，同时提高阴极材料的性能。图3.3双钙钛矿型晶体结构[29]Fig.1.3Double-layerperovskitecrystalstructure[29]xia等人[24]研究了在SmBaCo2-xNixO5+δ（SBCNx）中的Ni掺杂，其中x以0.1的间隔从0到0.5变化。该团队通过EDTA-甘氨酸方法合成SBCNx材料，起始原料为Sm（NO3）2，Ba（NO3）2，Co（NO3）3和Ni（NO3）3。所有合成的SBCNx材料均呈现单相结构。研究表明：工作温度在1000°C，此类材料与Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）电解质表现出良好的化学相容性；此类材料电子传导率随着Ni含量的增加而降低，Ni含量最多即（x=0.5）时的SBCNx呈现出令人满意的电导率值（在700℃下约为300S·cm-1）；此类材料具有较高的催化活性。该系列材料的热膨胀系数随着Ni含量的增加而降低，最小值为15.59×10-6K-1，仍高于普通电解质材料。从以上各方面的性能看，SBCNx（x=0.1~0.5）非常有希望用作中低温SOFC的阴极。Fu等人[25]已经研究了A位掺杂的Pr1-xCaxBaCo2O5+δ（PCBCO），其中x从0.1变化到0.4，采用常规的固态反应方法合成此材料，当x=0.1~0.2时，合成的氧
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于中国专利的氢燃料电池发展趋势分析[J]. 方瑜. 长春师范大学学报. 2017(10)
[2]纯电动汽车与氢燃料电池汽车发展现状及前景[J]. 孙田田,王林,郭巧巧,王鑫国. 科技视界. 2016(04)
[3]SOFC热电联供系统应用模拟[J]. 钟杰,张莉,徐宏,罗青,李培俊. 动力工程学报. 2015(10)
[4]固体氧化物燃料电池平板式电池堆的研究进展[J]. 宋世栋,韩敏芳,孙再洪. 科学通报. 2014(15)
[5]SOFC单电池测试方法[J]. 屠恒勇. 中国工程科学. 2013(02)
[6]固体氧化物燃料电池:高效清洁的能源[J]. 李箭,肖建中,蒲健. 中国新技术新产品精选. 2005(05)
[7]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
[8]固体氧化物燃料电池复合掺杂材料研究进展[J]. 马文会,谢刚,陈秀华. 功能材料. 2001(05)
[9]电化学阻抗谱方法研究评价有机涂层[J]. 张鉴清,曹楚南. 腐蚀与防护. 1998(03)
[10]高温固体氧化物燃料电池（SOFC）进展[J]. 江义,李文钊,王世忠. 化学进展. 1997(04)
本文编号：3526071
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC工作示意图[5]
第1章文献综述-6-出新的挑战。由于氧还原反应和氧离子传导过程具有热激活特性，因此降低SOFC操作温度时，目前相对成熟的阴极材料会出现性能急剧下降的现象，其阻抗会明显增大，不再适用该条件下的运行系统。探索新型阴极材料成为发展中温SOFC的重要任务之一。1.4SOFC阴极材料研究现状目前，研究的SOFC阴极基本上是贵金属材料、钙钛矿型阴极材料、双钙钛矿型阴极材料和和类钙钛矿型阴极材料等。下面将分别介绍上面几种SOFC阴极材料的国内外研究现状。（1）贵金属材料SOFC研究初期，使用银、铂、钯等贵金属，用其做SOFC阴极材料优点是有良好的吸附和催化功能。不足之处在于高温下易挥发，可能会使电极中毒；与电解质之间的热匹配性差，电极易脱落；成本较高，不适于商业化，也正因为贵金属材料价格成本太高，很难进入工业化阶段，现在贵金属材料基本已不被使用。（2）钙钛矿型（ABO3）阴极材料图2.2ABO3型钙钛矿晶体结构[23]Fig.1.2CrystalstructureofaABO3perovskiteoxide[23]钙钛矿型氧化物，结构通式为ABO3，结构示意图如图1.2所示，它也是最早被研究的SOFC阴极材料。钙钛矿晶体晶型结构包括正交、菱形和四方等，A位与B位总化合价为正六价，A位阳离子半径相对较大，与氧离子的配位数是12，通常被离子半径较大的镧系元素或稀土金属阳离子所占据，B位离子半径较小，与氧离子的配位数是6，通常被过渡金属离子所占据[15]。当对A位、B位金属离子进行部分或者全部取代时，会对材料性质带来影响。当用低价态的金属离子部分取代A位阳离子时，会打破该取代区域的电荷平衡，为了保持电中性，晶格结构
第1章文献综述-8-[29]。这类氧化物具备较高的氧表面交换系数和较高的电导率。但此类钴基化合物的热膨胀系数也比较高，但是可通过在其结构中掺杂其它元素来调节其热膨胀系数的大小，同时提高阴极材料的性能。图3.3双钙钛矿型晶体结构[29]Fig.1.3Double-layerperovskitecrystalstructure[29]xia等人[24]研究了在SmBaCo2-xNixO5+δ（SBCNx）中的Ni掺杂，其中x以0.1的间隔从0到0.5变化。该团队通过EDTA-甘氨酸方法合成SBCNx材料，起始原料为Sm（NO3）2，Ba（NO3）2，Co（NO3）3和Ni（NO3）3。所有合成的SBCNx材料均呈现单相结构。研究表明：工作温度在1000°C，此类材料与Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）电解质表现出良好的化学相容性；此类材料电子传导率随着Ni含量的增加而降低，Ni含量最多即（x=0.5）时的SBCNx呈现出令人满意的电导率值（在700℃下约为300S·cm-1）；此类材料具有较高的催化活性。该系列材料的热膨胀系数随着Ni含量的增加而降低，最小值为15.59×10-6K-1，仍高于普通电解质材料。从以上各方面的性能看，SBCNx（x=0.1~0.5）非常有希望用作中低温SOFC的阴极。Fu等人[25]已经研究了A位掺杂的Pr1-xCaxBaCo2O5+δ（PCBCO），其中x从0.1变化到0.4，采用常规的固态反应方法合成此材料，当x=0.1~0.2时，合成的氧
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于中国专利的氢燃料电池发展趋势分析[J]. 方瑜. 长春师范大学学报. 2017(10)
[2]纯电动汽车与氢燃料电池汽车发展现状及前景[J]. 孙田田,王林,郭巧巧,王鑫国. 科技视界. 2016(04)
[3]SOFC热电联供系统应用模拟[J]. 钟杰,张莉,徐宏,罗青,李培俊. 动力工程学报. 2015(10)
[4]固体氧化物燃料电池平板式电池堆的研究进展[J]. 宋世栋,韩敏芳,孙再洪. 科学通报. 2014(15)
[5]SOFC单电池测试方法[J]. 屠恒勇. 中国工程科学. 2013(02)
[6]固体氧化物燃料电池:高效清洁的能源[J]. 李箭,肖建中,蒲健. 中国新技术新产品精选. 2005(05)
[7]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
[8]固体氧化物燃料电池复合掺杂材料研究进展[J]. 马文会,谢刚,陈秀华. 功能材料. 2001(05)
[9]电化学阻抗谱方法研究评价有机涂层[J]. 张鉴清,曹楚南. 腐蚀与防护. 1998(03)
[10]高温固体氧化物燃料电池（SOFC）进展[J]. 江义,李文钊,王世忠. 化学进展. 1997(04)
本文编号：3526071
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