固體氧化物燃料電池（SOFC）具有能量轉(zhuǎn)化率高、清潔無(wú)污染以及全固態(tài)無(wú)貴金屬部件等優(yōu)勢(shì),受到了越來(lái)越多的研究者關(guān)注。目前,提升SOFC在600℃以下低溫條件中的功率密度及工作穩(wěn)定性是極其必要的。本文針對(duì)包覆碳酸鈉的釤摻雜氧化鈰（NSDC）體系的低溫納米復(fù)合SOFC的工作性能進(jìn)行了理論模擬計(jì)算,通過(guò)搭建的SOFC測(cè)試平臺(tái)對(duì)合成制備的NSDC體系低溫納米復(fù)合SOFC單電池工作性能及穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及分析,探討優(yōu)化低溫納米復(fù)合SOFC性能的途徑。本文主要研究?jī)?nèi)容及所得結(jié)論如下:（1）借助SOFC一維通量平衡模型對(duì)NSDC體系復(fù)合SOFC在600℃下的j-V曲線進(jìn)行了理論計(jì)算,并對(duì)溫度、陰極氣體壓強(qiáng)、電池結(jié)構(gòu)及燃料濃度對(duì)其性能影響進(jìn)行討論分析,得出溫度、電池結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能影響比較明顯,而陰極氣體壓強(qiáng)及燃料濃度的影響則相反的結(jié)論;（2）利用CFD模型模擬了NSDC體系納米復(fù)合SOFC在工作時(shí)氣體流道及溫度分布情況。分析了復(fù)合電解質(zhì)內(nèi)部不同載流子隨溫度改變產(chǎn)生的比例變化趨勢(shì),結(jié)果表明NSDC體系復(fù)合電解質(zhì)SOFC的最高功率密度下內(nèi)部質(zhì)子傳導(dǎo)在所有載流子傳導(dǎo)中的所占比例隨溫度的增高而逐漸上升,而氧離... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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SOFC內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理示意圖

?臀耂OFC電解質(zhì)材料。與YSZ（摻雜氧化釔的氧化鋯材料）等常見(jiàn)的高溫SOFC電解質(zhì)材料相比，鈰基電解質(zhì)材料在中低溫條件下的離子傳導(dǎo)率明顯更高，還具有更為合適熱膨脹系數(shù)。鈰元素?fù)碛蠧e3+及Ce4+兩種穩(wěn)定的離子形式，因此可以在純氧化鈰中形成允許氧離子擴(kuò)散的氧空位[3]。為提高其中的氧空位濃度從而提高電導(dǎo)率，可以在純氧化鈰中摻入其他離子形成新的鈰基電解質(zhì)材料，典型的鈰基電解質(zhì)材料例如Ce0.9Gd0.1O1.95（GDC）以及Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）均可在500-600℃的工作條件下得到1.3～2.1S/m的電導(dǎo)率[18]，圖1-2顯示了不同溫度下SDC內(nèi)摻雜濃度與電導(dǎo)率間的關(guān)系圖線[19]。除了以上常見(jiàn)的GDC及SDC材料以外，還有摻雜氧化釔的氧化鈰（YDC）以及摻雜了氧化鑭的氧化鈰（LDC）等中低溫SOFC電解質(zhì)材料[20]。圖1-2不同溫度下SDC內(nèi)摻雜濃度與電導(dǎo)率間的關(guān)系[19]（2）摻雜BaCeO3等質(zhì)子傳導(dǎo)低溫SOFC電解質(zhì)材料。除可以傳導(dǎo)氧離子的鈰基中低溫SOFC電解質(zhì)材料外，具有質(zhì)子傳導(dǎo)能力的鈰基電解質(zhì)材可保持燃料的純凈以便循環(huán)利用，還具有較低的材料成本及較高系統(tǒng)的運(yùn)行效率等優(yōu)勢(shì)。質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)材料一般為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（ABO3），如摻雜BaCeO3材料[21]，這些氧化物內(nèi)的晶格氧空位可在高溫下通過(guò)吸收水蒸氣或氫氣而生成質(zhì)子缺陷，因而具有質(zhì)子傳導(dǎo)能力[22]。摻

東南大學(xué)碩士學(xué)位論文4雜BaCeO3材料在800℃下可取得1S/m以上的電導(dǎo)率，其電子傳導(dǎo)能力要低于CeO2，因此可提高SOFC的開(kāi)路電壓及工作效率[23]。圖1-3顯示了以Ni-BaCeO3及BSCF-BSCO為電極、摻雜BaCeO3材料為電解質(zhì)的SOFC在不同溫度下的性能。除摻雜BaCeO3材料外，還有SrCeO3、BaZrO3等其他形式的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的質(zhì)子傳導(dǎo)低溫SOFC電解質(zhì)材料[3][4]。圖1-3以摻雜BaCeO3材料為電解質(zhì)的SOFCj-V以及功率密度性能曲線[24]（3）鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧離子傳導(dǎo)低溫SOFC電解質(zhì)材料。某些具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物也可以傳導(dǎo)氧離子，如鎵酸鑭（LaGaO3）等復(fù)合氧化物。在鎵酸鑭中復(fù)合入Sr3+與Mg2+離子后形成的LSGM（La1-xSrxGa1-yMgyO3）材料在500～600℃下的離子電導(dǎo)率可達(dá)1S/m[25]。相比鈰基的低溫SOFC電解質(zhì)材料，LSGM的優(yōu)勢(shì)在于其在各種化學(xué)氣氛下的性能都十分穩(wěn)定。在LSGM中進(jìn)一步摻入Co3+等離子獲得的LSGMC（La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2-xMxO3，M為Fe、Co、Mn或Cr）材料可進(jìn)一步提升電解質(zhì)在低溫環(huán)境下的電導(dǎo)率，但摻入過(guò)多離子會(huì)導(dǎo)致性能下降[26]。除以上幾類電解質(zhì)外，可同時(shí)傳導(dǎo)兩種載流子的低溫SOFC復(fù)合電解質(zhì)也越來(lái)越受到關(guān)注。復(fù)合電解質(zhì)，例如NSDC（Ce0.8Sm0.2O1.9-Na2CO3，包裹碳酸鈉的摻雜氧化釤的氧化鈰）材料及NaCl/Al2O3等鹵化物-氧化物復(fù)合電解質(zhì)材料可在較低溫度取得更高的電導(dǎo)率，可達(dá)傳統(tǒng)電解質(zhì)的數(shù)十倍及以上[4]，本文將在后面具體討論復(fù)合電解質(zhì)的性質(zhì)。1.2.2中低溫SOFC的電極材料簡(jiǎn)介SOFC中的電極材料可以起到將電子傳導(dǎo)給外電路并為燃料及氧化劑提供反應(yīng)場(chǎng)所的作用。電極材料分為陰極及陽(yáng)極材料，SOFC中的電化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生于電極-電解質(zhì)-空氣接觸的三相界處（TPB）[17]，如圖1-4

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]固體氧化物燃料電池（SOFC）系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀[J]. 吳雨澤,王宇旸,范紅途.  能源研究與利用. 2019(01)
[2]燃料電池的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 楊潤(rùn)紅,陳允軒,陳庚,陳梅倩,李國(guó)岫.  平頂山學(xué)院學(xué)報(bào). 2006(02)

博士論文
[1]太陽(yáng)能與固體氧化物電解池聯(lián)合制氫關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 陸玉正.東南大學(xué) 2017
[2]固體氧化物燃料電池堆的多物理場(chǎng)全耦合建模和理論模擬[D]. 李昂.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2016
[3]以碳?xì)浠衔餅槿剂系闹袦毓腆w氧化物燃料電池陽(yáng)極和電解質(zhì)的制備和性能表征[D]. 丁冬.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2008

碩士論文
[1]固體氧化物燃料電池多物理場(chǎng)模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 施紅玉.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017
[2]帶CO2捕捉的SOFC-GT混合系統(tǒng)仿真研究[D]. 程剛.大連理工大學(xué) 2012
[3]固體氧化物燃料電池合金基陽(yáng)極材料的制備和性能研究[D]. 王西寶.吉林大學(xué) 2009



本文編號(hào)：3295235