【摘要】：當(dāng)下,我國日常消耗的能源以煤炭、天然氣、石油等化石能源為主。然而,這幾類化石能源的大規(guī)模使用也帶來了霧霾、酸雨、水體污染等諸多環(huán)境問題。因此,為了滿足人民對“綠水青山”和“美好生活”的需求,我國不僅需要加快發(fā)展核能、風(fēng)能、水電、太陽能等新能源來合理地調(diào)整能源結(jié)構(gòu),還需要發(fā)展燃料電池等新能源技術(shù)以提高能量的轉(zhuǎn)換效率。固體氧化物燃料電池(SOFC)具有積木性強(qiáng)、高能量轉(zhuǎn)換效率、適用燃料廣、全固態(tài)組成、低內(nèi)阻等諸多優(yōu)勢,因此其在能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用前景被眾多研究者所看好。SOFC的理論能量轉(zhuǎn)換率很高,但受固有內(nèi)阻的影響,其能量轉(zhuǎn)換率的實(shí)際值比理論值要小。因?yàn)镾OFC的內(nèi)阻主要包括陰極極化、陽極極化和電解質(zhì)連接體等直流電阻,而陰極極化電阻貢獻(xiàn)了 SOFC的極化阻抗的絕大部分,所以提高陰極性能,降低陰極極化電阻,就能夠有效提高SOFC的效率。本工作從提升陰極材料性能的目的出發(fā),以典型的SOFC陰極材料為研究對象,探索了鈷鐵酸鍶鑭的微結(jié)構(gòu)與氧輸運(yùn)性能的關(guān)系并嘗試開發(fā)了鉍摻雜的鎳酸鑭這一陰極新材料。以下是本文的內(nèi)容概要:第一章是緒論,著重介紹SOFC的基本概況和工作原理、研究中使用的部分分析手段的原理和論文的主要工作內(nèi)容。第二章探究了影響鈷鐵酸鍶鑭的氧傳輸性能的因素。本文采用三種方法制備了 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)的粉體,用電導(dǎo)弛豫法(ECR)、掃描電鏡(SEM)、比表面分析(BET)等手段表征了材料的相關(guān)性能,并通過控制樣品的熱處理程序,來研究影響LSCF的氧傳輸性能測量結(jié)果的因素。對不同粉體來源的樣品進(jìn)行相同溫度的熱處理后,發(fā)現(xiàn)測得的數(shù)據(jù)符合晶粒尺寸越大的樣品氧傳輸性能越好的規(guī)律,從而證明了文獻(xiàn)中提出的材料的晶粒尺寸會影響材料的氧傳輸性能高低這一推論。對相同粉體來源的樣品進(jìn)行不同溫度的熱處理后,發(fā)現(xiàn)樣品的平均晶粒粒徑大小滿足熱處理溫度越高則平均晶粒粒徑越大的規(guī)律,但樣品的氧傳輸性能變化并不完全符合平均晶粒粒徑越大則樣品的氧傳輸性能越好的規(guī)律。對這些樣品進(jìn)行面掃元素分析(SEM-mapping)后,發(fā)現(xiàn)對樣品進(jìn)行不同溫度下的熱處理溫度會使得樣品的表面元素分布發(fā)生改變,這一改變可能對樣品的氧傳輸性能有所影響。綜上所述,LSCF的氧傳輸性能的測量結(jié)果至少會受到樣品的晶粒尺寸和元素分布的影響。第三章探索了鉍摻雜的鎳酸鑭。采用檸檬酸-EDTA絡(luò)合燃燒法,制得La1.75Sr0.25NiO4+δ(LSN)和 La1.65Bi0.1Sr0.5NiO4+δ(LSN-Bi)陰極粉體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,鉍的摻雜使得LSN的起始燒結(jié)溫度從1000 ℃降低到775 ℃左右,700℃時(shí),可提高氧擴(kuò)散系數(shù)約72.78%,提高表面交換系數(shù)約66.67%并降低界面極化阻抗到原值的七分之一。此外,XPS與碘滴定分析的結(jié)果顯示鉍的摻雜提高了 LSN間隙氧含量(δ值)和Ni的平均價(jià)態(tài)。這一變化會導(dǎo)致材料的載流子濃度增大,進(jìn)而使材料的氧傳輸速率提升,最終改善了材料的電化學(xué)性能。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ133.3;TM911.4
【圖文】：

氧離子傳導(dǎo)型與質(zhì)子傳導(dǎo)型兩大類。由于本研究使用的電解質(zhì)是氧離子導(dǎo)體，所逡逑以此處采用氧離子傳導(dǎo)型ＳＯＦＣ為例，來介紹ＳＯＦＣ的運(yùn)行原理。逡逑圖１．１是氧離子傳導(dǎo)型ＳＯＦＣ的原理示意閣。不難看出，ＳＯＦＣ的結(jié)構(gòu)類似逡逑一塊三明治，由電解質(zhì)、陽極和陰極三個(gè)部分疊加組成。逡逑在反應(yīng)時(shí)，首先是氧氣在多孔陰極上吸附，與外電路輸送來的電子結(jié)合并解逡逑離成氧離子，陰極反應(yīng)式為式１．１，這是典型的氧還原反應(yīng)（ＯＲＲ）：逡逑０２＋４ｅ邋一２０２－邐＊邐（１．１）逡逑之后，氧離子被電解質(zhì)輸送到多孔陽極上，與燃料氣（以丙烷為例）反應(yīng)，逡逑釋放出ｃｏ２、電子和水。最后，電子被外電路輸運(yùn)去陰極完成循環(huán)，陽極反應(yīng)式逡逑為式１．２：逡逑Ｃ３Ｈ８＋ｌ00２＾４Ｈ２0＋３Ｃ０２＋２０ｅ＇邐（１．２）逡逑ＳＯＦＣ的總反應(yīng)其實(shí)就是燃料氣的氧化反應(yīng)，總反應(yīng)式為式１．３：逡逑Ｃ３Ｈｇ＋５０２－＞４Ｈ２０＋３Ｃ0２邐（１．３）逡逑２逡逑

逡逑圖丨．３摻雜Ｙ２０３的Ｚｒ０２的晶胞結(jié)構(gòu)圖逡逑這類材料隨摻雜離子的不同而表現(xiàn)出不同的電化學(xué)性能，比如圖１．２就展現(xiàn)逡逑了在１０００邋°Ｃ時(shí)，Ｚｒ０２基材料的活化能與電導(dǎo)率受摻雜離子半徑變化的影響。從逡逑圖中可知，在相同的溫度下，摻雜進(jìn)Ｚｒ０２晶胞的離子的半徑越接近Ｚｒ４＋，材料逡逑的電導(dǎo)率就越高，電導(dǎo)率最高的是Ｓｃ３＋摻雜的Ｚｒ０２邋（ＳＳＺ）邋［２７］。目前，Ｚｒ０２基逡逑材料中研宄最多也最典型的材料就是摻雜了邋８邋ｍｏｌ％的Ｙ２０ｊ＾Ｚｒ０２，其晶胞結(jié)逡逑構(gòu)如圖１．３中所示，為立方螢石結(jié)構(gòu)，缺陷方程式見式１．４。該材料簡稱為８ＹＳＺ，逡逑在１０００邋°Ｃ時(shí)電導(dǎo)率有０．１６４邋Ｓ邋ｃｍ—１，到８００邋°Ｃ時(shí)電導(dǎo)率尚有０．０３６邋Ｓ邋ｃｍ—１，而且逡逑電子電導(dǎo)率極低［２８］。然而，８ＹＳＺ材料也有一些問題，比如溫度低于８００邋°Ｃ的逡逑時(shí)候８ＹＳＺ的電導(dǎo)率會明顯下降

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

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2 王永昌;田野;;固體氧化物燃料電池陽極材料Sr_2Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_6(SFM)/Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)(SDC)的研究[J];現(xiàn)代化工;2014年10期

3 王秦;陳曦;何公理;林少彬;劉U

本文編號：2713156