鈣鈦礦基固體氧化物燃料電池陶瓷陽極材料的制備及電化學性能研究
發(fā)布時間：2021-06-25 21:44
固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種直接將燃料的化學能轉換為電能的發(fā)電裝置,目前使用的SOFC依然以H2作為主要的燃料,而SOFC相對于其它種類的燃料電池是“吃粗糧”的燃料電池,其燃料不僅可以使用氫氣,還可以使用碳氫類燃料。但是,經(jīng)典的Ni基陽極由于其存在積碳、鎳粒粗化、硫中毒等現(xiàn)象,從而降低SOFC的功率性能和操作壽命,因此并不適合直接使用碳氫類作為燃料。因此,開發(fā)與碳氫類燃料相適應的新型陶瓷陽極是當前研究熱點課題。目前研究表明,混合電子-離子導體（MIEC）氧化物陶瓷陽極表現(xiàn)出良好的抗硫抗積碳能力。本論文具體內(nèi)容如下:論文第一章簡單綜述了SOFC的工作原理,主要構型及關鍵材料;重點概述了陽極的主要材料類型、陽極性能的優(yōu)化方法,并介紹了電化學阻抗譜的時間弛豫分布（EIS-DRT）分析方法;針對SOFC陽極材料存在的問題提出了本論文的研究內(nèi)容和研究目標。第二章對本論文中涉及粉體的制備方法、單電池的制備過程、相關測試樣品的制備方法進行簡單介紹,并對本論文實驗涉及的表征和測試進行了簡述。第三章中通過改進的檸檬酸鹽-EDTA-硝酸鹽燃燒法制備了SrFe0.8<...
【文章來源】：齊魯工業(yè)大學山東省
【文章頁數(shù)】：103 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
SOFC工作原理圖
齊魯工業(yè)大學碩士學位論文3陰極：-22O4e2O(0.1)陽極：2--22HOHO+2e(0.2)總反應：2222HO2HO(0.3)1.2.3SOFC構型在研究過程中先后出現(xiàn)過很多種SOFC構型，如：管式、平板式、瓦楞式、基片式、錐管式等[12-17]。經(jīng)過長期的發(fā)展和優(yōu)化，目前主要采用的SOFC結構類型有平板式、管式、瓦楞式三種，它們的示意圖如圖1.2所示。圖1.2三種常見SOFC構型（1）平板式SOFC平板式SOFC的單電池為平板狀陽極層、電解質層和陰極層堆疊而成。單電池之間靠雙極板連接，雙極板兩側平行布置氣道。其幾何結構最為簡單，因此制備成本與復雜程度低，電流路程短，氣體傳輸形式取決與雙極板氣道。其缺點是密封較為困難和熱循環(huán)穩(wěn)定性差[14]。（2）管式SOFC管狀SOFC通常為電極支撐的直管狀結構。由于圓柱管狀結構特點，所以它具有抗應力能力強、組裝簡單、易于密封等優(yōu)點。但是該結構使得電流通過電池的路徑較長，導致歐姆損耗較大，降低了電池的功率密度[12]。（3）瓦楞式SOFC瓦楞式SOFC其結構為由陽極層、電解質層、陰極層組成的瓦楞型，用平面雙極板將瓦楞狀單電池連接并分隔開，單電池與雙極板的空隙作為其空氣和燃料的氣道。這種結構由于其反應面積擴大，提升了其輸出功率密度。但是由于結構復雜，組裝難度大，成本較高[13]。
齊魯工業(yè)大學碩士學位論文212.2粉體制備本實驗中使用的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)和Sm0.2Ce0.8O2-δ(SDC)粉體采用檸檬酸-硝酸鹽法制備。我們以LSGM材料為例，介紹一下檸檬酸鹽-硝酸鹽燃燒法制備過程。首先，將化合計量比的La2O3、SrCO3、Ga(NO3)3·xH2O、C4H6O4Mg·4H2O前驅體溶于稀硝酸溶液，添加順序為首先添加不溶于水的氧化物，再添加溶于水的硝酸鹽和乙酸鹽，先添加無色物質，再添加有色物質。待溶解完全后，按照金屬離子和檸檬酸物質的量比為1：1.5加入檸檬酸，然后使用氨水調節(jié)pH值至~7。在60oC攪拌10h形成熔膠態(tài)，再將溶膠轉移到蒸發(fā)皿中，使用萬用電阻爐進行加熱，直至溶膠形成凝膠并點燃，燃燒結束后收集灰黑色粉末。將收集粉末在1100oC熱處理3h變獲得LSGM粉體。因鎢離子在酸性介質中易沉淀，SrFe1-xWxO3-δ(x=0.1，0.2)、SrFe0.8-xW0.2NixO3-δ(x=0.05，0.1)、SrCo1-xWxO3-δ(x=0.05，0.1，0.15)等含W元素粉體通過改良的檸檬酸鹽-EDTA-硝酸鹽燃燒法制備。以SrFe1-xWxO3-δ為例介紹制備過程，如圖2.1所示。首先，根據(jù)SrFe1-xWxO3-δ的化學計量比，將SrCO3和Fe(NO3)3·9H2O溶解在稀硝酸溶液中，將(NH4)10W12O41·xH2O溶解在超純水中，分別向兩種溶液中加入EDTA和檸檬酸絡合劑，EDTA：檸檬酸：金屬離子摩爾比為1：1：1，60oC水浴加熱攪拌溶解后，用氨水將兩種溶液的pH值調節(jié)至~7。然后將兩種溶液混合，繼續(xù)60oC水浴攪拌6h形成溶膠態(tài)。通過以上過程，避免了W離子的沉淀。將溶膠在蒸發(fā)皿中進一步加熱為凝膠態(tài)，然后繼續(xù)加熱至燃燒，得到黑色粉末。收集的黑色粉末在1100oC焙燒3h獲得單相SrFe1-xWxO3-δ粉體。圖2.1SrFe1-xWxO3-δ粉體制備流程圖
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Fabrication and optimization of La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ electrode for symmetric solid oxide fuel cell with zirconia based electrolyte[J]. Na Xu,Tenglong Zhu,Zhibin Yang,Minfang Han. Journal of Materials Science & Technology. 2017(11)
[2]鈰基氧化物在固體氧化物燃料電池中的應用[J]. 武衛(wèi)明,張長松,閻冬,侯紹剛,田大勇,鄭勇. 稀土. 2017(04)
[3]新型復合支撐體共燒制備致密La0.7Ca0.3Cr0.97O3-δ連接體薄膜[J]. 王松林,鳳儀,王東生,孟廣耀. 無機材料學報. 2012(09)
博士論文
[1]中低溫固體氧化物燃料電池新材料與結構設計及電化學性能研究[D]. 孫文平.中國科學技術大學 2013
[2]固體氧化物燃料電池的相轉化及流延法制備研究[D]. 肖進.中國科學技術大學 2012
[3]質子導體固體氧化物燃料電池的制備及其電化學研究[D]. 畢磊.中國科學技術大學 2009
本文編號：3249984
【文章來源】：齊魯工業(yè)大學山東省
【文章頁數(shù)】：103 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
SOFC工作原理圖
齊魯工業(yè)大學碩士學位論文3陰極：-22O4e2O(0.1)陽極：2--22HOHO+2e(0.2)總反應：2222HO2HO(0.3)1.2.3SOFC構型在研究過程中先后出現(xiàn)過很多種SOFC構型，如：管式、平板式、瓦楞式、基片式、錐管式等[12-17]。經(jīng)過長期的發(fā)展和優(yōu)化，目前主要采用的SOFC結構類型有平板式、管式、瓦楞式三種，它們的示意圖如圖1.2所示。圖1.2三種常見SOFC構型（1）平板式SOFC平板式SOFC的單電池為平板狀陽極層、電解質層和陰極層堆疊而成。單電池之間靠雙極板連接，雙極板兩側平行布置氣道。其幾何結構最為簡單，因此制備成本與復雜程度低，電流路程短，氣體傳輸形式取決與雙極板氣道。其缺點是密封較為困難和熱循環(huán)穩(wěn)定性差[14]。（2）管式SOFC管狀SOFC通常為電極支撐的直管狀結構。由于圓柱管狀結構特點，所以它具有抗應力能力強、組裝簡單、易于密封等優(yōu)點。但是該結構使得電流通過電池的路徑較長，導致歐姆損耗較大，降低了電池的功率密度[12]。（3）瓦楞式SOFC瓦楞式SOFC其結構為由陽極層、電解質層、陰極層組成的瓦楞型，用平面雙極板將瓦楞狀單電池連接并分隔開，單電池與雙極板的空隙作為其空氣和燃料的氣道。這種結構由于其反應面積擴大，提升了其輸出功率密度。但是由于結構復雜，組裝難度大，成本較高[13]。
齊魯工業(yè)大學碩士學位論文212.2粉體制備本實驗中使用的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)和Sm0.2Ce0.8O2-δ(SDC)粉體采用檸檬酸-硝酸鹽法制備。我們以LSGM材料為例，介紹一下檸檬酸鹽-硝酸鹽燃燒法制備過程。首先，將化合計量比的La2O3、SrCO3、Ga(NO3)3·xH2O、C4H6O4Mg·4H2O前驅體溶于稀硝酸溶液，添加順序為首先添加不溶于水的氧化物，再添加溶于水的硝酸鹽和乙酸鹽，先添加無色物質，再添加有色物質。待溶解完全后，按照金屬離子和檸檬酸物質的量比為1：1.5加入檸檬酸，然后使用氨水調節(jié)pH值至~7。在60oC攪拌10h形成熔膠態(tài)，再將溶膠轉移到蒸發(fā)皿中，使用萬用電阻爐進行加熱，直至溶膠形成凝膠并點燃，燃燒結束后收集灰黑色粉末。將收集粉末在1100oC熱處理3h變獲得LSGM粉體。因鎢離子在酸性介質中易沉淀，SrFe1-xWxO3-δ(x=0.1，0.2)、SrFe0.8-xW0.2NixO3-δ(x=0.05，0.1)、SrCo1-xWxO3-δ(x=0.05，0.1，0.15)等含W元素粉體通過改良的檸檬酸鹽-EDTA-硝酸鹽燃燒法制備。以SrFe1-xWxO3-δ為例介紹制備過程，如圖2.1所示。首先，根據(jù)SrFe1-xWxO3-δ的化學計量比，將SrCO3和Fe(NO3)3·9H2O溶解在稀硝酸溶液中，將(NH4)10W12O41·xH2O溶解在超純水中，分別向兩種溶液中加入EDTA和檸檬酸絡合劑，EDTA：檸檬酸：金屬離子摩爾比為1：1：1，60oC水浴加熱攪拌溶解后，用氨水將兩種溶液的pH值調節(jié)至~7。然后將兩種溶液混合，繼續(xù)60oC水浴攪拌6h形成溶膠態(tài)。通過以上過程，避免了W離子的沉淀。將溶膠在蒸發(fā)皿中進一步加熱為凝膠態(tài)，然后繼續(xù)加熱至燃燒，得到黑色粉末。收集的黑色粉末在1100oC焙燒3h獲得單相SrFe1-xWxO3-δ粉體。圖2.1SrFe1-xWxO3-δ粉體制備流程圖
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Fabrication and optimization of La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ electrode for symmetric solid oxide fuel cell with zirconia based electrolyte[J]. Na Xu,Tenglong Zhu,Zhibin Yang,Minfang Han. Journal of Materials Science & Technology. 2017(11)
[2]鈰基氧化物在固體氧化物燃料電池中的應用[J]. 武衛(wèi)明,張長松,閻冬,侯紹剛,田大勇,鄭勇. 稀土. 2017(04)
[3]新型復合支撐體共燒制備致密La0.7Ca0.3Cr0.97O3-δ連接體薄膜[J]. 王松林,鳳儀,王東生,孟廣耀. 無機材料學報. 2012(09)
博士論文
[1]中低溫固體氧化物燃料電池新材料與結構設計及電化學性能研究[D]. 孫文平.中國科學技術大學 2013
[2]固體氧化物燃料電池的相轉化及流延法制備研究[D]. 肖進.中國科學技術大學 2012
[3]質子導體固體氧化物燃料電池的制備及其電化學研究[D]. 畢磊.中國科學技術大學 2009
本文編號：3249984
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