【摘要】：作為一種將固體氧化物燃料電池(SOFC)和固體氧化物電解池(SOEC)連用的能量轉(zhuǎn)換裝置,固體氧化物可逆電池(RSOC)以其高效無污染備受研究者的青睞。它既可以在SOFC模式下工作釋放出電能,也可以在SOEC模式下運行,通過外部電源將工廠排出的廢氣直接轉(zhuǎn)化為可以利用的燃料氣體。RSOC可以進行SOFC、SOEC交替運行,這樣就能實現(xiàn)“燃料氣-電能”的循環(huán)利用,在能源問題日益嚴重的當今社會具有重要的意義。本實驗對以La、Fe共摻雜SrTiO3鈣鈦礦氧化物材料(LSTF)作為RSOC的燃料電極的物理和電化學性能及電池穩(wěn)定性進行研究。本文第三章通過對不同La、Fe摻雜量的SrTiO3電導率進行分析,并且分析了 LSTF材料在不同氣氛中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,確定了 La的摻雜量為30%,Fe的摻雜量為70%時(LSTF0.7),陽極材料的電導率最高(4.69 S · cm-1,800 ℃),探究了 LSTF0.7燃料電極用于可逆電池的SOFC模式下的電化學性能。在此基礎(chǔ)上,通過浸漬法引入CeO2和Ni金屬催化劑,使得以LSTF0.7-CeO2、Ni-LSTF0.7-CeO2為電池陽極的全電池在H2中的放電性能有明顯的提高,800℃時的最大功率密度分別為612mW · cm-2和698 mW · cm-2,全電池極化阻抗減小為 0.466 Ω·cm2 和 0.455 Ω.cm2。通過制備以 LSM(La0.2Sr0.8MnO3)-ScSZ(鈧穩(wěn)定氧化鋯)為電極材料的對稱電池,確定SOFC陰極、陽極對全電池極化阻抗的貢獻。相對于陽極材料,電池在LSM-ScSZ陰極上的極化損失更大。由陰陽極的極化阻抗值可以計算出電極反應(yīng)的活化能。LSTF0.7-ScSZ浸漬陽極在氫氣和一氧化碳中的反應(yīng)活化能分別是52.2 kJ · mol-1和157.5 kJ·mol-1,這說明相對于一氧化碳氣體,陽極在氫氣中有著較低的活化能,使得電化學反應(yīng)更容易發(fā)生。論文第四章對以LSTF0.7-CeO2為陰極、以LSM-ScSZ為陽極的固體氧化物電解池在不同溫度、不同外加電壓、不同氣氛中的I-V曲線和電化學阻抗譜進行表征,探究了 LSTF0.7-CeO2燃料電極用于可逆電池的SOEC模式下的電化學性能。SOEC在電解CO2的過程中,在外加電位為2.0 V時,700,750,800,850℃溫度下的電流密度分別達到 1.20,2.05,3.14,4.44 A.cm-2。通過對交流阻抗譜的數(shù)據(jù)的擬合分析,得出相對于傳質(zhì)阻抗R2,傳荷阻抗R1對特定電壓下的總極化阻抗的貢獻占主導地位。此外,本文還對此電解池的長期穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)研究,初步確定了電解池的衰減主要來自于LSM-ScSZ陽極的團聚。論文第五章對LSTF0.7-CeO2|ScSZ|LSM-ScSZ可逆電池以SOFC模式運行時的不同溫度下的放電功率密度進行極化曲線表征,并且通過電化學阻抗譜系統(tǒng)表征了 SOEC模式下各個電極的歐姆阻抗和極化阻抗,以探究LSTF燃料電極用于可逆電池(SOFC與SOEC兩種模式聯(lián)用)的電化學性能。在開路條件下,800℃時 30%CO+ 70%CO2,50%CO+ 50%CO2,70%CO+ 30%CO2氣體組分下的極化阻抗分別為0.68,1.04,1.46 Ω · cm2,較低的阻抗值說明了 LSTF0.7-CeO2電極具有較高催化活。此外,還對固體氧化物可逆電池的循環(huán)性能進行了表征,并通過SEM測試,表明電極顆粒團聚是穩(wěn)定性衰減的主要原因。論文第六章對電池構(gòu)型為LSTF0.7-CeO2|ScSZ|LSTF0.7-CeO2的對稱電池的電極過程進行研究,通過控制溫度、外加電壓、氣體組分等參數(shù),考察了對稱可逆電池在SOFC模式和SOEC模式下的電化學性能�？赡骐姵氐拈L期穩(wěn)定性,尤其是電解模式下的穩(wěn)定性是制約其商業(yè)化應(yīng)用的一個重要因素。為了解決LSTF0.7-CeO2|ScSZ|LSTF0.7-CeO2單室對稱電解池的穩(wěn)定性問題,本實驗對電解池施加電壓的方式從單一方向的恒電壓變換為方波恒電壓操作,電壓的反轉(zhuǎn)明顯有助于CO2電解池穩(wěn)定性的提高。EDS結(jié)果從機理上進一步說明其能夠起到消除施加單一方向電位在燃料電極表面上的積碳,使得電解池有效運行時間從80 h提高到了 550 h,為固體氧化物電解池的大規(guī)模應(yīng)用提供了一個重要的技術(shù)改進。
【圖文】：

１．３．４邐ＳＯＦＣ陽極反應(yīng)過程逡逑對于固體氧化物燃料電池的陽極，，囡其功能是催化燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，逡逑又可以稱作燃料電極，陽極的反應(yīng)過程如圖１－２所示。逡逑ｈ２逡逑｜①邋ｈ２0逡逑ｈ２邋ｈ２邋／逡逑＾邐Ｉ邋ＨｊＯ逡逑ｓｓ邋ｙ／＼邋ｉ＇？逡逑ｔ邐、卞．．＼＝相逡逑電解邋？邐ｏ２－邐ｏ２－逡逑圖１－２邋ＳＯＦＣ的陽極反應(yīng)過程示意W【４６］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ＳＯＦＣ邋ａｎｏｄｅ１４６１逡逑Ｋ邋１－２是以Ｈ２作為燃料氣的陽極的電化學反應(yīng)過程示意圖，具體可以分逡逑為以下幾個步驟：逡逑（１）

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【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.41

【參考文獻】

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本文編號：2626433