中温固体氧化物燃料电池钙钛矿基电极材料的结构及性能研究

发布时间：2021-12-17 02:59

　　固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种可以直接将化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态发电装置,其在缓解能源危机和环境污染方面正发挥着越来越重要的作用。然而,由于运行温度高（>850℃）而导致的高成本和有限的系统寿命,严重阻碍了 SOFC技术的商业化。因此迫切需要将SOFC的运行温度降低至中温区（600～800℃）。然而,温度的降低会使电极的极化电阻急剧增加,从而导致整个电池的性能衰减。因此,在中温区发展高效、稳定且成本低廉的电极材料对于实现SOFC的商业化至关重要。本论文主要以钙钛矿基电极材料为研究对象,采用实验与理论计算相结合的方式探究影响电极催化活性和稳定性的主要因素,进一步开发潜在的中温SOFC电极材料。首先,为了研究不同稀土掺杂对BaCo0.7Fe0.3O3-δ（BCF）单钙钛矿阴极的晶体结构和氧还原反应（ORR）活性的影响,合成了 LnxBa1-xCo0.7Fe0.3O3-δ（Ln=La,Pr,Nd,x=0.1,0.2）系列稀土掺杂的新型单钙钛矿阴极材料。实验结果表明,适量的稀土掺杂能够将BCF低对称的六方相转变为高对称的立方相。同BCF相比,该系列化合物表现出显著增... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：144 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１传统发电系统与燃料电池系统的能源利用率对比图??表１．１燃料电池的优势［Ｎ４］??

?０２￣?（１．１）??阳极氧化反应：??Ｈ２＋?０２－—?Ｈ２０?＋?２ｅ－?（１．２）??总反应：??１?，??Ｈ２?＋－〇２?－？?Ｈ２０?（１．３）??１／２０，＋?２ｅ－?＝?０２－?°２?°２?°２?ｅ－??〇２－?ｔ?Ｉ?？?Ｉ?＇??日?ｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?０２＇?〇２－?０２－?〇匕？?＿??Ｔ?ｕ?Ｔ?Ｔ?〇２－?１?、、??；－＞?Ｋ??Ｈ２?＋?Ｃｙ－?＝?Ｈ２０?＋?２ｅ－?ｆＨ２〇?ｆＨ２°?ｔ?Ｈ２〇?ｅ＇??ｈ２?ｈ２?ｈ２??图１．２?ＳＯＦＣ的工作原理示意图［７］??ＳＯＦＣ的理论可逆电动势￡可由式（１．４）的Ｎｅｒｎｓｔ方程求得：??〇?ＲＴ?Ｐｈ２??Ｅ?＝?Ｅ?＋?Ｉｎ?Ｐｏ，?＋?Ｉｎ———?（１．４）??４Ｆ?２?２Ｆ?Ｐｈ２ｏ??其中，为标准状态下电池的可逆电动势；??Ｒ为摩尔气体常数，其值为８．３１４?ＩｍｏｒｉｌＣ１；??ｆ为法拉第常数，其值为ｇｊＳｘｉｏＡｃ．ｍｏｒ１；??Ｔ为电池的工作温度，其单位为Ｋ；??户０２、／＼和／＼｜：０分别为〇２、Ｈ２和Ｈ２〇的蒸汽分压。??事实上，电池在实际工作中由于不可避免的损耗，ＳＯＦＣ的实际电动势要低??于式（１．４）中的理论可逆电动势￡。从燃料电池输出的电流越多，其损耗就越??大。一般来说，存在三种主要的损耗，它们决定了一个燃料电池电流－电压（Ｉ－Ｖ）??曲线的特征形状，如图１．３所示［１，２］。开路条件下，ＳＯＦＣ的电压值略低于其理论??电动势五。当有电流通过时，电极逐渐偏离其平衡态，出现极化过程，分为活化??极化、欧姆极化和浓差极化三部分。活化极化对应于电极表面非常缓慢的电化学??反应过程

?第一章绪论???电极表面物质扩散速度缓慢所造成的一种极化过程，其电压与电流的关系曲线也??是非线性下降。因此，燃料电池的实际电压输出可以由式（１．５）得到：??Ｖ?—?＿?Ｔ｜ａｃｔ?—?ｌ＂）〇ｈｍｉｃ?一?ｒ｜ｃｏｎｃ?（１．５）??式中，Ｖ表示燃料电池的实际输出电压；??Ｅｔｈｅ？。表示热力学预测的理论电压输出；??Ｔ）ａｃｔ表示由反应动力学引起的活化损耗；??Ｉｈｍｉｅ表示由离子和电子传导而引起的欧姆损耗；??Ｔｌｅｃｍｅ表示由质量传输引起的浓度损耗。??遗憾的是，在电池的实际工作过程中，极化损失是不能够被完全消除掉的。??我们可以通过改善电池的组成材料及改进电池的设计工艺等来降低电池中的各??种极化损失。例如，尽量减小电解质的厚度以减少电池的欧姆损失；提高电极的??催化活性以减少活化损失；控制燃料输入的流量并改进电池的构型以避免浓度损??失［６］。??＞?ｉ??＾理论可逆电动势￡??￡?ｉ??＾?＇欧姆损失??Ｉ：?／＼??天Ｉ?传廣损失１???ｙ??电流密度（ｍＡ／ｃｍ２）??图１．３燃料电池的电流－电压（Ｉ－Ｖ）曲线示意图［１］??１．２．２固体氧化物燃料电池的组成结构和特点??ＳＯＦＣ是一种全固态的发电装置，主要由阴极、阳极、电解质以及连接体材??料等组成，如图１．４所示。在实际工作中，电池的每一个组件必须满足一定的性??能要求，才能保证ＳＯＦＣ的长期稳定运行。下面将分别介绍每个组件的特性及相??应的性能要求。??５??


本文编号：3539286