固体氧化物燃料电池的电极材料研究和单电池数值模拟

论文摘要

能源问题将是21世纪人类所面对的巨大挑战。固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种能直接将化学能转化为电能的能量转化装置，并且无噪音污染、能量转化率高。传统的YSZ电解质组成的固体氧化物燃料电池由于电解质材料在较低温度下的电阻较高，一般要工作在950～1000℃。降低SOFC的运行温度到600～800℃将在很多方面体现出优越性，如可以降低电池其它组件材料的费用、降低材料的失效问题等，成为了SOFC发展的必然趋势。因此研究和开发中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）的电极材料对SOFC的发展至关重要。 Ce0.9Gd0.1O0.95（GDC）是中温SOFC的有前景的电解质材料，而Ni-Ce0.8Sm0.2O0.19（Ni-SDC）材料是适合中温SOFC的理想阳极材料。本文采用柠檬酸-硝酸盐溶胶-凝胶低温自蔓延燃烧法制备了氧化镍（NiO）粉末、Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）粉末、NiO-Ce0.8Sm0.2O1.9（质量比NiO：SDC=1）和Co3O4-NiO-Ce0.8Sm0.2O1.9（质量比Co3O4：NiO：SDC=1：1：2）粉末，采用XRD检测了粉体的成相情况。将NiO与SDC按不同质量比和不同制备工艺制备了固体氧化物燃料电池的阳极前身。NiO-SDC粉末和Co3O4-NiO-SDC粉末也分别制成阳极前身。再用自组装的还原装置将其在820℃条件下经2.5h还原后，采用四端子法测量其电导率值。分析了阳极片电导率与阳极片微结构、Ni的质量百分数、混合研磨时间、原始粉末制备工艺及烧结温度之间的关系。结果显示，阳极片的电导率强烈依赖于镍含量和原始粉末的制备工艺。 由于上面制备的阳极片的电导率不是很高，而电导率的大小主要与其中的NiO材料的性质密切相关，所以本文研究了不同NiO制备工艺对Ni-SDC阳极的电性能的影响。制备了两种、购买了一种共三种具有不同微结构、不同粒径的NiO粉末，将这三种NiO粉末与SDC粉末以1：1的质量比按上述方法制备成Ni-SDC阳极，分析了阳极片的电导率与阳极片微结构之间的关系。结果显示，阳极片的电导率与阳极片的微结构、NiO粉末的微结构、NiO粒子的粒径密切相关，而这些因素直接受NiO粉末的制备工艺影响。由NiCO3·2Ni（OH）2·4H2O分解得到的NiO粉制备的阳极片具有最高的电导率值。 掺杂LaCoO3材料在较低温度下具有较高的离子和电子导电性，具有较大的发展前景。本文采用固相反应法和柠檬酸-硝酸盐溶胶-凝胶低温自蔓延燃烧法（简称柠檬酸法）合成了La0.5Sr0.5CoO0.91（LSC）和La0.7Sr0.3Co0.3Fe0.7O3（LSCF）复合氧化物。借助XRD和SEM对不同制备方法合成的粉体的晶体结构和晶粒形貌进行了研究。实验结果表明：固相反应法可制得均一钙钛矿结构的LSC氧化物，柠檬酸法除制得LSC氧化物外，还有LaSrCoO4相的生成。两种方法均能合成出结晶较好的LSCF粉体。柠檬酸-硝酸盐溶胶-凝胶低温自蔓延燃烧法合成粉体的粒度相对较小。为研究以GDC为电解质的固体氧化物燃料电池阴极材料的性能，分别将LSC粉体和LSCF粉体与GDC粉体按6：4的质量比制备了固体氧化物燃料电池的阴极片。在空气气氛下使用直流四探针法研究了烧结样品的电导率，发现由柠檬酸法得到粉体制备的阴极片的电导率值较高。将制备的样品置于马弗炉中800℃条件下烧结800h，比较失效前后电导率的变化情况，并借助XRD、SEM等测试手段分析样品电导率变化的原

论文目录

• 摘 要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1 引言
• 2 燃料电池的类型和特点
• 3 固体氧化物燃料电池
• 3.1 固体氧化物燃料电池特点
• 3.2 固体氧化物燃料电池的基本组成和工作原理
• 3.3 固体氧化物燃料电池的结构类型及其特点
• 3.4 固体氧化物燃料电池的国内外研究现状与研究趋势
• 4 固体氧化物燃料电池材料研究概况
• 4.1 电解质材料
• 4.2 固体氧化物燃料电池的阳极材料
• 4.3 固体氧化物燃料电池的阴极材料
• 4.4 固体氧化物燃料电池连接板材料
• 4.5 高温无机密封材料
• 5 本论文的研究背景、技术路线与特色
• 5.1 研究背景
• 5.2 本论文的主要研究内容
• 第二章 实验方法
• 1 实验仪器与设备
• 2 化学试剂
• 3 研究与表征方法介绍
• 3.1 差热-热重分析（TG-DTA）
• 3.2 X射线衍射（XRD）
• 3.3 场发射扫描电镜（FSEM）
• 3.4 QUANTACHROME AUTOSORB-1氮吸附仪
• 3.5 Poremaster60全自动压汞仪
• 4 实验装置介绍
• 4.1 阳极片的还原装置与实验方法
• 4.2 电导率的测量装置与测量方法
• 第三章 NI-SDC固体氧化物燃料电池阳极的研制与性能表征
• 1 引言
• 2 不同NiO含量对Ni-SDC阳极性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验流程
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 3 不同Ni与SDC的预混工艺对固体氧化物燃料电池性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 4 不同NiO粉的制备工艺对Ni-SDC阳极性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 5 结论
• 第四章 复合掺杂钴酸镧阴极的制备和性能研究
• 1 引言
• 0.5Sr_0.5CoO_2.91的性能和稳定性'>2 复合掺杂氧化物La_0.5Sr_0.5CoO_2.91的性能和稳定性
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 0.7Sr_0.3Co_0.3Fe_0.7O₃的性能和稳定性'>3 钙钛矿型氧化物La_0.7Sr_0.3Co_0.3Fe_0.7O₃的性能和稳定性
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 0.6Sr_1-xCa_xCo_1-yNi_yO_3-δ的制备和电性能研究'>4 多掺杂复合氧化物La_0.6Sr_1-xCa_xCo_1-yNi_yO_3-δ的制备和电性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 5 结论
• 2／O₂固体氧化物燃料电池的三维数值模拟'>第五章 H₂／O₂固体氧化物燃料电池的三维数值模拟
• 1 引言
• 2 模型和数学方程
• 2.1 质量守恒方程
• 2.2 动量守恒方程
• 2.3 组分传递方程
• 2.4 电化学反应特性方程
• 2.5 能量传递方程
• 3 计算方法和边界条件
• 4 结果与讨论
• 4.1 基本工况和物性参数
• 4.2 速度分布
• 4.3 组分浓度分布
• 4.4 电流密度分布
• 4.5 温度分布
• 4.5 压力分布
• 4.6 实验与模拟数据的比较
• 4.7 不同的电解质和电极材料对电池输出性能的影响
• 4.8 不同工况对电池性能的影响
• 5 结论
• 第六章 全文总结和展望
• 1 本文主要研究成果
• 2 不足之处和今后工作的设想
• 参考文献
• 符号说明
• 致谢
• 作者在攻读博士期间发表（含录用）的论文目录