SrFeO 3-δ 基材料用于固体氧化物电池电极材料的研究
发布时间：2021-01-01 19:28
本论文针对清洁能源利用和CO2减排的重要性,提出了采用固体氧化物电池来进行煤层气的高效清洁发电及CO2的资源化利用。固体氧化物电池（SOC）是固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体氧化物电解池（SOEC）的总称,SOEC是SOFC的逆操作。考虑到传统的SOFC镍基阳极在使用碳氢化合物燃料时会产生严重的积碳进而导致电池性能衰减问题,提出分体式阳极催化剂层概念,进一步考察了三种SrFeO3-δ钙钛矿基催化剂材料在以甲烷（CH4）或煤层气（CBG,CBG主要成分为CH4,82.9975%;O2,2.1853%;N2,10.1839%;C2–C8,3.4731%;CO2,1.1602%）为燃料的情况下电池的抗积碳性能和电化学性能,获得了较好的操作稳定性及电池功率输出。在以上工作基础上,对La0.7Sr0.3Cr0.5
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
氧离子传导型SOFC工作原理示意图[3]
第1章绪论3根据所电解燃料的不同，SOEC可以大体分为：电解CO2、电解H2O以及H2O和CO2共电解。SOEC与SOFC从原理角度上讲互为逆过程，根据电解质传导机理的不同，SOEC也可分为质子(H+)传导型和氧离子(O2-)传导型电解池。本论文使用的是氧离子(O2-)传导型电解池，图1.2是氧离子(O2-)传导型电解池的工作原理，H2O在外加电压作用下扩散到燃料电极/电解质界面处被解离成H2和O2-，H2扩散到燃料电极表面，而O2-在外加电压的作用下透过电解质层扩散到氧电极处，O2-失去电子变成O2，产生的O2经疏松的氧电极扩散到表面。图1.2氧离子传导型SOEC工作原理示意图[5]Fig.1.2WorkingprincipleofO2-SOEC.SOEC电解H2O时具体的反应如下：氧电极：O2-→2e-+1/2O2(g)(1.4)燃料极：H2O(g)+2e-→H2(g)+O2-(1.5)总反应：H2O(g)→H2(g)+1/2O2(g)(1.6)为了排除可逆水气转换反应（H2(g)+CO2(g)→H2O(g)+CO(g)）的干扰，电解CO2时，通常将CO作为还原性保护气体而不用H2作为保护气。SOEC电解CO2的反应如下：氧电极：O2-→2e-+1/2O2(g)(1.4)燃料极：CO2(g)+2e-→CO(g)+O2-(1.7)总反应：CO2(g)→CO(g)+1/2O2(g)(1.8)共电解概念由美国国家实验室的Idaho在2006年首先提出，所谓的共电解就是同时电解CO2与H2O的混合物，它可以直接产生合成气(CO与H2的混合物)，而合成气又可通过费托反应转化为液体燃料[7-11]，因此具有很重要的意义。在共电解过程中，化学方程式(1.5)产生的部分H2可通过可逆水气转换反应(RWGS)将CO2还原为CO:
SrFeO3-δ基材料用于固体氧化物电池电极材料的研究4H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g)(1.9)在电解模式下，反应的总能量焓变ΔH，其可用热力学第一定律表示为：H=G+Q(1.10)其中ΔG表示反应所需的吉布斯自由能或电能，而Q表示反应所需的热能。每个量都可以通过以下公式得到[12-14]：H=ΔH°+∫0(1.11)Q=TS(1.12)S=ΔS°+∫0(1.13)其中T表示绝对温度，ΔCP表示定压热容，ΔS表示熵变，ΔH°和ΔS°分别表示在标准条件下(T0=298.15K，1atm)的焓和熵。电动势可以通过吉布斯自由能除以法拉第常数和电子数来求得。根据上文化学方程式(1.3—1.13)可以建立图1.3,由图可知高温条件下有利于电池电解,因为反应所需的能量(ΔH)可由高温热能(Q)提供，所以反应所需的电能(ΔG)会明显降低。将电池集成到工业或核废热中提供外部热量可以获得较高的热效率，同时降低生产成本[16-21]。在没有提供外部热量的情况下，反应所需热量由电流通过电池时在电池内部产生的焦耳热提供，因此增加了电力需求。以液态水取代水蒸气为例，反应所需能量增加了0.21V，所对应的ΔHv为40.65kJ·mol-1。图1.3水蒸气和二氧化碳电解的热力学[12]Fig.1.3ThermodynamicsofsteamandCO2electrolysis.电解CO2所需的能量高于电解H2O所需的能量，并且还需要将反应物CO2气体与生成物CO气体进行分离。然而与电解H2O相比，电解CO2的一大优势是CO2在
【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)
本文编号：2951860
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
氧离子传导型SOFC工作原理示意图[3]
第1章绪论3根据所电解燃料的不同，SOEC可以大体分为：电解CO2、电解H2O以及H2O和CO2共电解。SOEC与SOFC从原理角度上讲互为逆过程，根据电解质传导机理的不同，SOEC也可分为质子(H+)传导型和氧离子(O2-)传导型电解池。本论文使用的是氧离子(O2-)传导型电解池，图1.2是氧离子(O2-)传导型电解池的工作原理，H2O在外加电压作用下扩散到燃料电极/电解质界面处被解离成H2和O2-，H2扩散到燃料电极表面，而O2-在外加电压的作用下透过电解质层扩散到氧电极处，O2-失去电子变成O2，产生的O2经疏松的氧电极扩散到表面。图1.2氧离子传导型SOEC工作原理示意图[5]Fig.1.2WorkingprincipleofO2-SOEC.SOEC电解H2O时具体的反应如下：氧电极：O2-→2e-+1/2O2(g)(1.4)燃料极：H2O(g)+2e-→H2(g)+O2-(1.5)总反应：H2O(g)→H2(g)+1/2O2(g)(1.6)为了排除可逆水气转换反应（H2(g)+CO2(g)→H2O(g)+CO(g)）的干扰，电解CO2时，通常将CO作为还原性保护气体而不用H2作为保护气。SOEC电解CO2的反应如下：氧电极：O2-→2e-+1/2O2(g)(1.4)燃料极：CO2(g)+2e-→CO(g)+O2-(1.7)总反应：CO2(g)→CO(g)+1/2O2(g)(1.8)共电解概念由美国国家实验室的Idaho在2006年首先提出，所谓的共电解就是同时电解CO2与H2O的混合物，它可以直接产生合成气(CO与H2的混合物)，而合成气又可通过费托反应转化为液体燃料[7-11]，因此具有很重要的意义。在共电解过程中，化学方程式(1.5)产生的部分H2可通过可逆水气转换反应(RWGS)将CO2还原为CO:
SrFeO3-δ基材料用于固体氧化物电池电极材料的研究4H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g)(1.9)在电解模式下，反应的总能量焓变ΔH，其可用热力学第一定律表示为：H=G+Q(1.10)其中ΔG表示反应所需的吉布斯自由能或电能，而Q表示反应所需的热能。每个量都可以通过以下公式得到[12-14]：H=ΔH°+∫0(1.11)Q=TS(1.12)S=ΔS°+∫0(1.13)其中T表示绝对温度，ΔCP表示定压热容，ΔS表示熵变，ΔH°和ΔS°分别表示在标准条件下(T0=298.15K，1atm)的焓和熵。电动势可以通过吉布斯自由能除以法拉第常数和电子数来求得。根据上文化学方程式(1.3—1.13)可以建立图1.3,由图可知高温条件下有利于电池电解,因为反应所需的能量(ΔH)可由高温热能(Q)提供，所以反应所需的电能(ΔG)会明显降低。将电池集成到工业或核废热中提供外部热量可以获得较高的热效率，同时降低生产成本[16-21]。在没有提供外部热量的情况下，反应所需热量由电流通过电池时在电池内部产生的焦耳热提供，因此增加了电力需求。以液态水取代水蒸气为例，反应所需能量增加了0.21V，所对应的ΔHv为40.65kJ·mol-1。图1.3水蒸气和二氧化碳电解的热力学[12]Fig.1.3ThermodynamicsofsteamandCO2electrolysis.电解CO2所需的能量高于电解H2O所需的能量，并且还需要将反应物CO2气体与生成物CO气体进行分离。然而与电解H2O相比，电解CO2的一大优势是CO2在
【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)
本文编号：2951860
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