【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(wú)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(yùn)行,通過(guò)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(jìn)行SOFC、SOEC交替運(yùn)行,這樣就能實(shí)現(xiàn)“燃料氣-電能”的循環(huán)利用,在能源問(wèn)題日益嚴(yán)重的當(dāng)今社會(huì)具有重要的意義。本實(shí)驗(yàn)對(duì)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(xué)性能及電池穩(wěn)定性進(jìn)行研究。本文第三章通過(guò)對(duì)不同La、Fe摻雜量的SrTiO3電導(dǎo)率進(jìn)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(shí)(LSTF0.7),陽(yáng)極材料的電導(dǎo)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(xué)性能。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)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(yáng)極的全電池在H2中的放電性能有明顯的提高,800℃時(shí)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(guò)制備以 LSM(La0.2Sr0.8MnO3)-ScSZ(鈧穩(wěn)定氧化鋯)為電極材料的對(duì)稱電池,確定SOFC陰極、陽(yáng)極對(duì)全電池極化阻抗的貢獻(xiàn)。相對(duì)于陽(yáng)極材料,電池在LSM-ScSZ陰極上的極化損失更大。由陰陽(yáng)極的極化阻抗值可以計(jì)算出電極反應(yīng)的活化能。LSTF0.7-ScSZ浸漬陽(yáng)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(shuō)明相對(duì)于一氧化碳?xì)怏w,陽(yáng)極在氫氣中有著較低的活化能,使得電化學(xué)反應(yīng)更容易發(fā)生。論文第四章對(duì)以LSTF0.7-CeO2為陰極、以LSM-ScSZ為陽(yáng)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(xué)阻抗譜進(jìn)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(xué)性能。SOEC在電解CO2的過(guò)程中,在外加電位為2.0 V時(shí),700,750,800,850℃溫度下的電流密度分別達(dá)到 1.20,2.05,3.14,4.44 A.cm-2。通過(guò)對(duì)交流阻抗譜的數(shù)據(jù)的擬合分析,得出相對(duì)于傳質(zhì)阻抗R2,傳荷阻抗R1對(duì)特定電壓下的總極化阻抗的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位。此外,本文還對(duì)此電解池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,初步確定了電解池的衰減主要來(lái)自于LSM-ScSZ陽(yáng)極的團(tuán)聚。論文第五章對(duì)LSTF0.7-CeO2|ScSZ|LSM-ScSZ可逆電池以SOFC模式運(yùn)行時(shí)的不同溫度下的放電功率密度進(jìn)行極化曲線表征,并且通過(guò)電化學(xué)阻抗譜系統(tǒng)表征了 SOEC模式下各個(gè)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(xué)性能。在開路條件下,800℃時(shí) 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(shuō)明了 LSTF0.7-CeO2電極具有較高催化活。此外,還對(duì)固體氧化物可逆電池的循環(huán)性能進(jìn)行了表征,并通過(guò)SEM測(cè)試,表明電極顆粒團(tuán)聚是穩(wěn)定性衰減的主要原因。論文第六章對(duì)電池構(gòu)型為L(zhǎng)STF0.7-CeO2|ScSZ|LSTF0.7-CeO2的對(duì)稱電池的電極過(guò)程進(jìn)行研究,通過(guò)控制溫度、外加電壓、氣體組分等參數(shù),考察了對(duì)稱可逆電池在SOFC模式和SOEC模式下的電化學(xué)性能。可逆電池的長(zhǎng)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(gè)重要因素。為了解決LSTF0.7-CeO2|ScSZ|LSTF0.7-CeO2單室對(duì)稱電解池的穩(wěn)定性問(wèn)題,本實(shí)驗(yàn)對(duì)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(jī)理上進(jìn)一步說(shuō)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(yùn)行時(shí)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(gè)重要的技術(shù)改進(jìn)。
【圖文】：

１．３．４邐ＳＯＦＣ陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程逡逑對(duì)于固體氧化物燃料電池的陽(yáng)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(yáng)極的反應(yīng)過(guò)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(yáng)極反應(yīng)過(guò)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(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程示意圖，具體可以分逡逑為以下幾個(gè)步驟：逡逑（１）

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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM911.41

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2626433