固体氧化物燃料电池合金基复合阳极材料的研究与应用

论文摘要

本文研究了中温固体氧化物燃料电池合金基复合阳极材料的制备和电化学性能,讨论了材料组分对阳极性能的影响。第一章概述了燃料电池的分类以及特点,固体氧化物燃料电池的工作原理、组件和性能要求以及阳极的电极反应动力学,提出了本文的主要工作和研究目的。第二章详细介绍了本文的实验方法和表征手段。本文采用甘氨酸—硝酸盐法合成材料的初始粉体,利用机械混合法制备合金基复合阳极初体。采用的表征手段主要有X射线衍射（XRD）技术、Van der Pauw直流四电极法测高温电导率、热膨胀分析以及循环伏安法测单电池输出性能。本文第三、四、五章分别探讨了Ni-Cu、Ni-Fe Ni-Co合金基复合阳极材料的制备及其电化学性能测试,并对其单电池输出性能进行测试和分析。首先采用甘氨酸—硝酸盐法制备Ni1-xCuxOy、Ni1-xFexOy、Co1-xNixOy初始阳极粉体,然后用机械混合法合成Ni1-cCuxOy（x=0.05、0.10.0.15、0.20）—Ce0.85Sm0.15O2-δ（SDC）、Ni1-xFexOy（x=0.10、0.15、0.20、0.25）—SDC.Ni1-xCoxOy（x=0.20、0.40、0.50、0.60）-SDC在位还原后XRD测试结果表明这三种阳极材料与电解质SDC具有很好的化学相容性。高温电导率测试结果说明该系列阳极材料还原后导电机制没有发生变化,表现为良好的电子导电性。热膨胀测试结果表明,Ni1-xCux—SDC复合材料的热膨胀系数在12.6～15.2（×10-6K-1）之间,Ni0.80Cu0.20—SDC阳极（12.6814×10-6K-1）与SDC（12.4023×10-6K-1）在热膨胀方面匹配性最好；Ni0.80Fe0.20—SDC阳极（12.3458×10-6K-1）、Ni0.80C0.20—SDC阳极（12.1967×10-6K-1）表现出与SDC最好的热匹配性。分别以Ni1-xCux—SDC、Ni1-xFex—SDC.Ni1-xCox—SDC材料为阳极,以Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.203-δ—GDC（30wt.%）为阴极、SDC为电解质,采用丝网印刷法制备成的电池,并测试了单电池在600-800℃内以氢气为燃料时的输出特性V-工曲线。测试结果表明,Ni-Cu合金基阳极材料中Ni0.90Cu0.10—SDC阳极性能最佳,其单电池800℃时最大功率密度达到388.89mW/cm2;Ni-Fe合金基阳极材料中Ni0.85Fe0.15—SDC复合阳极性能最好,以此制作的单电池800℃时最大输出功率为335.21 mW/cm2;CO-Ni合金基阳极材料中Ni0.90Co0.10—SDC复合材料为阳极的单电池性能最好,800℃时的最大功率密度为337.69mW/cm2。

论文目录

• 提要
• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池介绍
• 1.3 燃料电池的发展与分类
• 1.4 固体氧化物燃料电池（SOFC）的工作原理
• 1.5 固体氧化物燃料电池的结构类型
• 1.6 固体氧化物燃料电池的优缺点
• 1.7 固体氧化物燃料电池的关键组件及性能要求
• 1.7.1 电解质
• 1.7.2 阴极材料
• 1.7.3 阳极材料
• 1.7.4 连接体材料
• 1.7.5 密封材料
• 1.8 本文的主要工作和研究目的
• 第二章 样品的制备方法及测试手段
• 2.1 实验仪器
• 2.2 样品的制备方
• 2.2.2 溶胶凝胶法（Sol-Gel process）
• 2.2.3 丝网印刷法（Screen-printing）
• 2.3 样品测试手段及表征
• 2.3.1 X射线衍射法（XRD）
• 2.3.2 热膨胀性质
• 2.3.3 高温电导率的测量
• 2.3.4 单电池测试
• 第三章 Ni-Co合金基复合阳极材料的性能研究
• 3.1 引言
• 1-xCo_x-SDC复合阳极的制备'>3.2 Ni_1-xCo_x-SDC复合阳极的制备
• 1-xCo_x-SDC阳极材料'>3.2.1 甘氨酸-硝酸盐法制备Ni_1-xCo_x-SDC阳极材料
• 3.2.2 复合阳极的制备
• 3.2.3 单电池的制备和组装
• 1-xCo_x-SDC合金基复合阳极的性能测试及结果分析'>3.3 Ni_1-xCo_x-SDC合金基复合阳极的性能测试及结果分析
• 1-xCo_x合金XRD成相分析'>3.3.1 Ni_1-xCo_x合金XRD成相分析
• 3.3.2 高温电导率
• 3.3.3 热膨胀测试
• 3.3.4 单电池测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 Ni-Cu合金基复合阳极的性能研究与应用
• 4.1 引言
• 1-xCu_x-SDC合金基复合阳极的制备'>4.2 Ni_1-xCu_x-SDC合金基复合阳极的制备
• 4.2.1 阳极材料的制备
• 4.2.2 复合阳极的制备
• 4.2.3 单电池的制备和组装
• 1-xCu_x-SDC合金基复合阳极的性能测试及结果分析'>4.3 Ni_1-xCu_x-SDC合金基复合阳极的性能测试及结果分析
• 1-xCu_x合金XRD成相分析'>4.3.1 Ni_1-xCu_x合金XRD成相分析
• 4.3.2 高温电导率
• 4.3.3 热膨胀测试
• 4.3.4 单电池的测试
• 4.4 本章小结
• 第五章 Ni-Fe合金基复合阳极材料的性能研究
• 5.1 引言
• 1-xFe_x-SDC合金基复合阳极的制备'>5.2 Ni_1-xFe_x-SDC合金基复合阳极的制备
• 5.2.1 阳极材料的制备
• 5.2.2 复合阳极的制备
• 5.2.3 单电池的制备和组装
• 1-xFe_x-SDC合金基复合阳极的性能测试及结果分析'>5.3 Ni_1-xFe_x-SDC合金基复合阳极的性能测试及结果分析
• 1-xFe_x合金XRD成相分析'>5.3.1 Ni_1-xFe_x合金XRD成相分析
• 5.3.2 高温电导率
• 5.3.3 热膨胀测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 参考文献
• 致谢