中溫固體氧化物燃料電池鑭鍶錳基陰極性能優(yōu)化研究
發(fā)布時間：2022-01-07 05:37
固體氧化物燃料電池（SOFC）是能以最高效率從燃料中發(fā)電的裝置。然而,傳統(tǒng)的SOFC由于過高的操作溫度（1000℃）會造成成本高、電池工作一段時間后性能嚴重下降等問題,無法實現(xiàn)商業(yè)化。為解決以上問題,可降低操作溫度。但溫度降低卻會導致電池陰極的極化電阻顯著增大,從而嚴重限制其輸出性能。故減小陰極的極化損失以改進陰極性能是時下研究熱點之一。鈣鈦礦結構的錳酸鑭被鍶摻雜后所形成的鑭鍶錳(La1-x-x SrxMnO3,LSM)陰極材料,僅僅在高溫（800-1000℃）下工作時,才能實現(xiàn)高催化活性、高電子電導率及良好化學穩(wěn)定性。中溫固體氧化物燃料電池（IT-SOFC）會很大地限制LSM的應用,這是由于中溫（600-800℃）條件下LSM的氧離子電導率低以及反應的活化能高。本文依據(jù)當前關于SOFC的熱點展開了探索。在中溫條件下,基于增大LSM的離子電導率,并降低其極化電阻的想法,改進現(xiàn)有陰極材料LSM,將復合電解質材料SDC-CuO與LSM相結合,制備了復合陰極材料LSM/SDC-CuO并相應的單電池。本文的研究工作如下:（1）本...
【文章來源】：沈陽師范大學遼寧省
【文章頁數(shù)】：39 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
SOFC工作原理圖
物中摻雜的離子與主體離子的半徑比值約為1.05，且t≈0.96時，離子導電性最佳[31]。大量研究者已經驗證出了材料的傳導率主要受A位元素的影響、B位元素的性質主要影響著陰極材料的催化活性。對A位或B位進行摻雜后，材料內部會產生更多的有助于氧催化還原反應進行的傳輸氧離子的氧空位，使陰極材料的離子導電性增強。同時為了確保整個鈣鈦礦結構的電中性而新生成電子空穴來幫助電子運動，進而提高材料相應的電子電導率，使得簡單的ABO3型鈣鈦礦氧化物通過A位、B位元素摻雜后具有優(yōu)良的離子-電子混合導電性和結構穩(wěn)定性[32]。圖1-2ABO3型鈣鈦礦氧化物結構示意圖（二）LSM陰極材料的研究進展經典的鈣鈦礦材料中，鑭錳礦（LaMnO3）和鍶摻雜而成的鑭鍶錳（LaxSr1-xMnO3-δ，LSM）因其高溫下的良好性能成為陰極材料的首眩LSM具有很高的電子傳導性（在1000℃時約為180Scm-1），出色的催化性能以及高的熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和與其他電池組件的相容性。此外，LSM與氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）和釤摻雜的二氧化鈰（SDC）等電解質材料熱化學兼容，但LSM的低離子電導率限制了其在高溫SOFC中的應用。同時出于成本及電池壽命等各方面因素的考慮，高溫條件已不利于SOFC的發(fā)展。Jiang等研究發(fā)現(xiàn)，900℃時LSM的界面阻抗值僅為0.39Ωcm2，降溫到700℃時，它的界面阻抗比在900℃時增大了100倍以上，達到了55.7Ωcm2，這說明隨著工作溫度的降低，LSM的極化電阻迅速增大，因此將溫度降低至中溫區(qū)（600-800℃）會極大地降低LSM陰極的性能[33-35]。為了改善LSM陰極的性能，通常添加離子導電材料以形成雙相復合物，擴大氧還原反應的三相界面（TPB），并將電化學反應從電極/電解質界面處延伸到了整個陰極區(qū)域，同時降低了陰極的極化電阻。通常將具有較高離子電導率的電解質材
中溫固體氧化物燃料電池鑭鍶錳基陰極性能優(yōu)化研究19溫度的SDC樣品的電導率，這是因為從圖中可以觀察到，SDC-0.5mol%CuO的阻抗比在三種溫度（1250℃、1300℃和1400℃）下燒結而成的SDC的阻抗都要低。圖3-11250℃、1300℃和1400℃下燒結的SDC和1000℃燒結的SDC-0.5mol%CuO、SDC-1mol%CuO、SDC-2mol%CuO和SDC-3mol%CuO的交流阻抗譜
【參考文獻】：
期刊論文
[1]固體氧化物燃料電池技術發(fā)展概述及應用分析[J]. 仙存妮. 電器工業(yè). 2019(03)
[2]中高溫固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 王雅,王傲. 船電技術. 2018(07)
[3]鈣鈦礦氧化物的化學結構及其催化性能的研究進展[J]. 曾佳,汪浩,朱滿康,嚴輝. 材料導報. 2007(01)
[4]氧化鋯基固體電解質材料的摻雜研究[J]. 呂振剛,郭瑞松,阮文彪,陳玉如. 兵器材料科學與工程. 2005(01)
[5]一種新的生物質氣發(fā)電裝置——固體氧化物燃料電池[J]. 尹艷紅,朱威,夏長榮,孟廣耀,郭慶祥. 可再生能源. 2004(03)
博士論文
[1]微納米結構SOFC復合陰極的構筑及其表征[D]. 李娟.哈爾濱工業(yè)大學 2011
[2]CeO2基電解質的電性能研究及在中溫固體氧化物燃料電池中的應用[D]. 嚴端廷.吉林大學 2010
本文編號：3573923
【文章來源】：沈陽師范大學遼寧省
【文章頁數(shù)】：39 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
SOFC工作原理圖
物中摻雜的離子與主體離子的半徑比值約為1.05，且t≈0.96時，離子導電性最佳[31]。大量研究者已經驗證出了材料的傳導率主要受A位元素的影響、B位元素的性質主要影響著陰極材料的催化活性。對A位或B位進行摻雜后，材料內部會產生更多的有助于氧催化還原反應進行的傳輸氧離子的氧空位，使陰極材料的離子導電性增強。同時為了確保整個鈣鈦礦結構的電中性而新生成電子空穴來幫助電子運動，進而提高材料相應的電子電導率，使得簡單的ABO3型鈣鈦礦氧化物通過A位、B位元素摻雜后具有優(yōu)良的離子-電子混合導電性和結構穩(wěn)定性[32]。圖1-2ABO3型鈣鈦礦氧化物結構示意圖（二）LSM陰極材料的研究進展經典的鈣鈦礦材料中，鑭錳礦（LaMnO3）和鍶摻雜而成的鑭鍶錳（LaxSr1-xMnO3-δ，LSM）因其高溫下的良好性能成為陰極材料的首眩LSM具有很高的電子傳導性（在1000℃時約為180Scm-1），出色的催化性能以及高的熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和與其他電池組件的相容性。此外，LSM與氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）和釤摻雜的二氧化鈰（SDC）等電解質材料熱化學兼容，但LSM的低離子電導率限制了其在高溫SOFC中的應用。同時出于成本及電池壽命等各方面因素的考慮，高溫條件已不利于SOFC的發(fā)展。Jiang等研究發(fā)現(xiàn)，900℃時LSM的界面阻抗值僅為0.39Ωcm2，降溫到700℃時，它的界面阻抗比在900℃時增大了100倍以上，達到了55.7Ωcm2，這說明隨著工作溫度的降低，LSM的極化電阻迅速增大，因此將溫度降低至中溫區(qū)（600-800℃）會極大地降低LSM陰極的性能[33-35]。為了改善LSM陰極的性能，通常添加離子導電材料以形成雙相復合物，擴大氧還原反應的三相界面（TPB），并將電化學反應從電極/電解質界面處延伸到了整個陰極區(qū)域，同時降低了陰極的極化電阻。通常將具有較高離子電導率的電解質材
中溫固體氧化物燃料電池鑭鍶錳基陰極性能優(yōu)化研究19溫度的SDC樣品的電導率，這是因為從圖中可以觀察到，SDC-0.5mol%CuO的阻抗比在三種溫度（1250℃、1300℃和1400℃）下燒結而成的SDC的阻抗都要低。圖3-11250℃、1300℃和1400℃下燒結的SDC和1000℃燒結的SDC-0.5mol%CuO、SDC-1mol%CuO、SDC-2mol%CuO和SDC-3mol%CuO的交流阻抗譜
【參考文獻】：
期刊論文
[1]固體氧化物燃料電池技術發(fā)展概述及應用分析[J]. 仙存妮. 電器工業(yè). 2019(03)
[2]中高溫固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 王雅,王傲. 船電技術. 2018(07)
[3]鈣鈦礦氧化物的化學結構及其催化性能的研究進展[J]. 曾佳,汪浩,朱滿康,嚴輝. 材料導報. 2007(01)
[4]氧化鋯基固體電解質材料的摻雜研究[J]. 呂振剛,郭瑞松,阮文彪,陳玉如. 兵器材料科學與工程. 2005(01)
[5]一種新的生物質氣發(fā)電裝置——固體氧化物燃料電池[J]. 尹艷紅,朱威,夏長榮,孟廣耀,郭慶祥. 可再生能源. 2004(03)
博士論文
[1]微納米結構SOFC復合陰極的構筑及其表征[D]. 李娟.哈爾濱工業(yè)大學 2011
[2]CeO2基電解質的電性能研究及在中溫固體氧化物燃料電池中的應用[D]. 嚴端廷.吉林大學 2010
本文編號：3573923
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