基于X射线CT技术研究Ni-YS阳极内部结构和气体扩散反应

发布时间：2017-07-13 10:28

  本文关键词：基于X射线CT技术研究Ni-YS阳极内部结构和气体扩散反应

  更多相关文章： X射线成像 格子 Boltzmann方法 复合阳极 三维结构 有效三相界面

【摘要】：伴随经济社会的发展,传统化石能源的紧缺以及使用中产生的污染使得如何清洁高效地利用能源显得十分有必要。固体氧化物燃料电池是一种高效低污染的能量转换装置。由于电池运行温度较高,电极微结构在电池运行期间发生改变。基于硬X射线纳米CT技术,我们可以无损地获取Ni-YSZ阳极的精细三维结构,并发展了一些可取的方法对电池结构的一些参数定量分析。在精细结构的基础上,采用格子Boltzmann方法对阳极内气体扩散和反应进行了模拟,分析影响电池性能的一些关键因素,帮助我们理解电池长期运行后性能损失的机理,为优化电极材料制备提供建议。本文主要进行了以下工作：1.调研硬X射线纳米CT技术的基本原理,了解其他成像方法,X射线成像的优势。利用X射线CT技术得到Ni-YSZ复合阳极样品投影数据,通过三维重构软件Xradia和三维渲染软件Amira得到样品的三维结构以及内部Ni、YSZ和孔隙各相的三维分布。介绍格子Boltzmann方法的基本原理,在演化方程中添加源项同时将测量的有效三相界面作的真实分布为反应位点添加到模型中。2.研究了Ni-YSZ复合阳极经过20小时2.5 A.cm一2运行电流密度测试与未经运行测试的三维微结构变化。基于X射线纳米CT技术重构了未测试和测试后的阳极样品的微结构,对比了两者的断层投影图像以及用Amira软件对两组样品结构进行渲染图。采用“特征射线”的方法分析了未测试和测试后Ni颗粒尺寸大小分布；通过划分体素的方法,统计计算了两组样品中各相体积分数、连通性以及三相界面密度等阳极结构的关键参数。可发现测试后,小尺寸Ni颗粒的移动聚集导致结构的变化,如连通性下降、三相界面密度下降等,而长期运行的固体氧化物燃料电池内,三相界面密度的下降是导致性能损失的一个主要原因。3.用热循环来模仿电池运行的情况,基于由硬X射线成像方法重构得到的不同循环次数电极的三维结构,利用格子Boltzmann方法模拟不同次数热循环后阳极内气体扩散反应的情况,得到气体消耗与产生的三维分布。观察到有效三相界面区域内产物的聚集和燃料的消耗,这种局部的差异会阻碍继续进行的气体扩散和反应的进行。同时发现有效三相界面密度大小是表征电池性能一个重要参数,但是其分布以及Ni-YSZ阳极的内部结构(比如孔隙率)也比较重要。
【关键词】：X射线成像 格子 Boltzmann方法 复合阳极 三维结构 有效三相界面
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R814;O434.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-28
• 1.1 引言10
• 1.2 固体氧化物燃料电池10-14
• 1.2.1 固体氧化物燃料电池发展历史10-11
• 1.2.2 存在的优势和不足11-13
• 1.2.3 应用前景13-14
• 1.3 固体氧化物燃料电池的机理14-19
• 1.3.1 电化学机理14-17
• 1.3.2 结构材料17-18
• 1.3.3 输出功率影响因素18-19
• 1.4 气体输运过程模拟19-23
• 1.5 本文主要工作和内容安排23-24
• 参考文献24-28
• 第二章 样品三维结构重构和模拟分析28-42
• 2.1 样品结构成像手段28-30
• 2.2 X射线成像系统30-33
• 2.3 格子Boltzmann方法33-38
• 2.4 本章总结38-39
• 参考文献39-42
• 第三章 研究电池测试后Ni-YSZ阳极三维结构变化42-52
• 3.1 样品制备和阳极测试42-43
• 3.1.1 阳极制备过程42
• 3.1.2 电极测试过程42-43
• 3.2 研究样品测试前后三维结构的变化43-47
• 3.2.1 样品图像分析43-45
• 3.2.2 粒径分布和样品的计算参数45-47
• 3.3 本章总结47-49
• 参考文献49-52
• 第四章 模拟经热循环Ni-YSZ阳极内气体扩散反应52-62
• 4.1 Ni-YSZ复合阳极微结构52-54
• 4.1.1 经热循环阳极样品的处理制备52-53
• 4.1.2 Ni-YSZ复合阳极微结构参数53-54
• 4.2 模拟阳极内气体扩散反应54-58
• 4.2.1 含反应过程气体输运54-55
• 4.2.2 模拟经不同热循环阳极样品内气体扩散55-58
• 4.3 本章总结58-59
• 参考文献59-62
• 第五章 总结与展望62-64
• 致谢64-66
• 在读期间发表的学术论文和取得的研究成果66

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本文编号：536539