質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池（Proton conducting solid oxide fuel cells,HSOFC）在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域發(fā)揮著極為重要的作用,其活化能低、能源利用率高、發(fā)電效率高、并且能夠直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。此外,H-SOFC在能源轉(zhuǎn)化的過(guò)程中唯一產(chǎn)物是水,是一種清潔能源轉(zhuǎn)化的有效途徑,有利于我國(guó)能源的可持續(xù)發(fā)展。H-SOFC的發(fā)展將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的諸多行業(yè)發(fā)起挑戰(zhàn),將有望逐漸替代使用傳統(tǒng)能源的發(fā)電設(shè)備。為了使其在中溫水平（600⁸00℃）維持較好的性能,我們必須提高其在中溫條件下的反應(yīng)活性,特別是陰極的質(zhì)子傳導(dǎo)能力和氧還原（Oxygen reduction reaction,ORR）能力等。因此本文通過(guò)摻雜有效元素,控制晶面和微觀結(jié)構(gòu)等方法對(duì)H-SOFC中的陰極材料進(jìn)行改性,并且采用基于第一性原理的密度泛函理論（Density functional theory,DFT）計(jì)算對(duì)材料進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)材料的空位形成,水合及質(zhì)子傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行預(yù)判,從而制備出適用于H-SOFC的陰極材料。本文首先介紹了質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池的應(yīng)用及發(fā)展前景,闡述了其反應(yīng)原理... 

【文章來(lái)源】：青島大學(xué)山東省

【文章頁(yè)數(shù)】：82 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)原理圖[7]

青島大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1.2ABO3型鈣鈦礦Figure1.2ProtonconductoroxideABO3structureofperovskitetype1.3質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池陰極近年來(lái)，對(duì)H-SOFC的研究越來(lái)越多，尤其是陰極的性能和反應(yīng)機(jī)理。與氧離子導(dǎo)體SOFC不同，在H-SOFC中，產(chǎn)物水在陰極端生成，所以陰極的反應(yīng)更加復(fù)雜并產(chǎn)生極大的極化電阻。這使得清楚地認(rèn)識(shí)H-SOFC反應(yīng)機(jī)理，發(fā)展合適的陰極材料并提高整個(gè)質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池的性能顯得尤為重要，尤其是對(duì)于在低溫條件下的電池。對(duì)于陰極反應(yīng)，我們需要解決其在電化學(xué)反應(yīng)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，即電化學(xué)性能和陰極材料特性的關(guān)系，如導(dǎo)電類型和導(dǎo)電能力，成分與微觀結(jié)構(gòu)，以及電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷，如熱膨脹系數(shù)不匹配、穩(wěn)定性差，與氧解離的沖突等。1.3.1陰極在質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物電池反應(yīng)中的關(guān)鍵步驟極化電阻是評(píng)價(jià)電極反應(yīng)并判斷決速步驟的必要參數(shù)。對(duì)于O-SOFC來(lái)說(shuō)，陰極極化電阻（Rp）與氧分壓（PO2）成正比關(guān)系，而對(duì)于H-SOFC來(lái)說(shuō)，除了氧氣，水也在陰極端參與反應(yīng)并對(duì)Rp有重要影響，Uchida等[9]首次提出除了氧的吸附解離和擴(kuò)散，水的形成和演變應(yīng)當(dāng)作為在H-SOFC中陰極反應(yīng)的重要步驟。He等[10]將其分解成基于質(zhì)子轉(zhuǎn)移和反應(yīng)的小步驟。如表1.1所示：

青島大學(xué)碩士學(xué)位論文6的O2-N2混合物反應(yīng)。在干濕兩種氣氛下反應(yīng)級(jí)數(shù)n在一定氧分壓下接近0，而極化電阻Rp在濕潤(rùn)的條件下比其在干燥的空氣中的對(duì)應(yīng)值大1-3倍。這個(gè)結(jié)果表明極化電阻更多與水分壓有關(guān)而不是氧分壓，也就是說(shuō)第5-8步才是陰極反應(yīng)中的決速步驟，也就是一定水分壓下的反應(yīng)級(jí)數(shù)和極化電阻的活化能。就像是LSF和Pt，它們的陰極反應(yīng)的決速步驟不同，因?yàn)長(zhǎng)SF是電子氧離子混合導(dǎo)體，吸附在LSF上的氧原子的反應(yīng)區(qū)域從表面擴(kuò)展到晶體內(nèi)部[11]。將復(fù)合陰極的極化電組在干濕氣氛中進(jìn)行A.C.阻抗測(cè)試，該復(fù)合陰極由電子氧離子混合導(dǎo)體（Sm0.5Sr0.5CoO3-&,SSC）和質(zhì)子導(dǎo)體（BaCe0.8Sm0.2O3-&，BCS）組成。如圖1.3所示，在不同氧分壓和水分壓下測(cè)試電池的極化電阻，可以看到?jīng)Q速步驟不只是一步，因?yàn)樗幕静襟E都與PO2和PH2O的作用有關(guān)，如表1.1所示。SSC-BCS陰極的PO2的反應(yīng)級(jí)數(shù)在干性空氣中和濕性空氣中的反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為0.23和0.18。這些反應(yīng)級(jí)數(shù)和LSF的反應(yīng)級(jí)數(shù)不同，也就是說(shuō)氧離子的形成和轉(zhuǎn)移不足以加速擴(kuò)展BCS的三相界面。圖1.3在濕潤(rùn)的N2-O2中，不同氧分壓（PO2）下的高頻阻抗（RH）和低頻阻抗（RL）在500和600℃下的測(cè)量結(jié)果Figure1.3Oxygenpartialpressure(PO2)dependenceofhigh-frequencyresistance(RH)andlowfrequencyresistance(RL)measuredinhumidifiedN2-O2atmosphereat500and600℃,respectively

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Performance variability of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ cathode on proton-conducting electrolyte SOFCs with Ag and Au current collectors[J]. Ting-Ting Wan,An-Kang Zhu,Hai-Bo Li,Chun-Chang Wang,You-Min Guo,Zong-Ping Shao,Oumarou Savadogo.  Rare Metals. 2018(08)
[2]通過(guò)電子導(dǎo)體陰極La0.8Sr0.2MnO3-δ的納米化制備高性能質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池（英文）[J]. Eman Husni Da’as,畢磊,Samir Boulfrad,Enrico Traversa.  Science China Materials. 2018(01)
[3]計(jì)算科學(xué)推進(jìn)大數(shù)據(jù)時(shí)代多學(xué)科交叉發(fā)展[J]. 李建欣,胡春明,陶飛,趙潔玉.  計(jì)算機(jī)教育. 2014(01)
[4]分子動(dòng)力學(xué)模擬的主要技術(shù)[J]. 文玉華,朱如曾,周富信,王崇愚.  力學(xué)進(jìn)展. 2003(01)
[5]蒙特卡洛方法（Ⅱ）[J]. 張建中.  數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí). 1974(02)



本文編號(hào)：3111940