复合阳极NiO-La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ/Ce0.8Sm0.2O2-δ在中温天然气燃料电池中的性能研究

论文摘要

燃料电池是一种高效低污染的电化学装置,具有环境友好、能量转换率高和燃料适应广泛等优点。固体氧化物燃料电池（SOFC）作为第三代燃料电池,其所有的部件是固态的,具有无漏液、启动快寿命长等特点,被认为是21世纪的绿色能源。本课题主要研究中低温天然气燃料电池（SOFC）单电池的制备,以及对不同体系的阳极性能的表征,为了得到性能较好的中温天然气燃料电池做了以下工作。本文研究了中温天然气SOFC单电池的粉体制备,采用溶胶-凝胶法制备了单电池的阳极,电解质和阴极粉体,采用共压共烧结的方法制备了以NiO-La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ/Ce0.8Sm0.2O2-δ,为复合阳极,搀杂的Ce0.8M0.2O2-δ（M =Gd）为电解质,La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3-δ-Ce0.8Gd0.2O2-δ为复合阴极的单电池。并测试其电化学性能。并且利用XRD,EDX,TEM,SEM等分析手段对复合阳极进行结构,化学相容性,微观型貌和碳元素分析。研究结果表明:NiO-La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ/Ce0.8Sm0.2O2-δ复合阳极材料具有与搀杂Ce0.8Gd0.2O2-δ（M = Gd）电解质相近的热膨胀系数,能与它们较好的烧结;在以Ce0.8Gd0.2O2-δ电解质构成的电池在以天然气为燃料测试时,电池具有较好的电性能,复合阳极具有较好的化学相容性,且阳极和阴极具有较好的孔隙,孔道结构。EDX测试结果表明有少量的碳沉积。并在600℃进行了电池的稳定性测试。测试结果表明,该电池在13小时的测试过程中功率无明显衰减,具有较好的稳定性,在测试过程中随着温度的升高各电池的开路电压逐渐降低、电流逐渐升高、电池的功率密度逐渐增大,在600℃各电池的最大功率密度分别为44.85mW/cm2、最大电流密度为215.49 mA/cm2。在对电池以纯甲烷为燃料时的放电尾气的气象色谱分析中逐渐有大分子烯,炔烃生成。以复合阳极NiO-Ce0.8Fe0.2O2-δ为支撑,在分别以纯甲烷和天然气为燃料时,以Ce0.8Gd0.2O2-δ为电解质时的燃料电池在650℃电池的最大电流密度和最大功率密度分别达到了258.2mA/cm2, 51.31mW/cm2。和208.2 mA/cm2, 43.12mW/cm2。对放电后的X射线能谱分析可以发现有严重的积碳现象,因此影响了电池的放电稳定性。并对其稳定性能做了分析。通过改进和完善电池的制作工艺和密封性,有望进一步提高电池的输出特性,获得更高的电池性能指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 燃料电池简介
• 1.2 固体氧化物燃料电池概述
• 1.2.1 SOFC 基本原理
• 1.2.2 SOFC 的应用
• 1.2.3 SOFC 国内外研究开发现状
• 1.3 SOFC 的材料
• 1.3.1 电解质材料
• 1.3.2 阳极材料
• 1.3.3 中温固体氧化物燃料电池阴极材料
• 1.4 阳极-电解质-阴极三合一的制备及结构设计
• 1.4.1 电极负载的薄膜电解质制备技术
• 1.5 本课题研究的目的和意义
• 参考文献
• 第二章 纳米粉体的制备与表征
• 2.1 实验仪器与设备
• 2.2 粉体的制备
• 2.2.1 溶胶-凝胶法[1]的基本原理
• 2.2.2 电解质、电极粉末的制备
• 2.3 粉体表征
• 0.8M_0.2O_2-δ（M = Gd、 Sm） 粉末的物相分析'>2.3.1 Ce_0.8M_0.2O_2-δ（M = Gd、 Sm） 粉末的物相分析
• 2.3.2 LSCM 粉末的物相分析
• 2.3.3 LSCM 透射电镜分析
• 2.3.4 LSCF 粉末的物相分析
• 2.3.5 NiO 粉末的XRD 图
• 2.4 小结
• 参考文献
• 0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O_3-δ-Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ复合阳极在中温天然气燃料电池中的制备和性能研究'>第三章 NiO-La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O_3-δ-Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ复合阳极在中温天然气燃料电池中的制备和性能研究
• 3.1 实验
• 3.1.1 试剂和仪器
• 3.1.2 单电池的制备
• 3.1.3 电池测试装置图及测试电路图
• 3.1.4 电极材料的结构分析和电化学性能测试
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 化学相容性分析
• 3.2.2 电池微观型貌分析
• 3.2.3 电池性能测试
• 3.2.4 电池稳定性测试
• 3.2.5 能谱分析
• 3.2.6 不同复合比单电池的电导率的计算
• 3.2.7 复合阳极在以甲烷为原料时对3 级尾气的分析结果
• 3.3 结论
• 参考文献
• 2复合阳极在中温天然气固体氧化物燃料电池中的应用'>第四章 掺杂Fe 的CeO₂复合阳极在中温天然气固体氧化物燃料电池中的应用
• 4.1 试剂和仪器
• 4.2 单电池的制备
• 4.2.1 实验过程
• 4.2.2 粉体材料的制备
• 4.2.3 复合阳极和电解质的径向收缩系数的测定
• 4.2.4 单电池的制备
• 4.2.5 份体的结构分析
• 4.2.6 单电池的微观结构分析
• 4.2.7 电池性能的测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 结构及化学相容性分析
• 4.3.2 电镜分析
• 4.3.3 单电池微观型貌
• 4.3.4 单电池的性能测试
• 4.3.5 电池稳定性测试
• 4.3.6 能谱分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章：结论与展望
• 展望
• 致谢
• 论文发表情况