固體氧化物燃料電池（SOFC）具有能量轉化率高、清潔無污染以及全固態(tài)無貴金屬部件等優(yōu)勢,受到了越來越多的研究者關注。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。本文針對包覆碳酸鈉的釤摻雜氧化鈰（NSDC）體系的低溫納米復合SOFC的工作性能進行了理論模擬計算,通過搭建的SOFC測試平臺對合成制備的NSDC體系低溫納米復合SOFC單電池工作性能及穩(wěn)定性進行了實驗及分析,探討優(yōu)化低溫納米復合SOFC性能的途徑。本文主要研究內(nèi)容及所得結論如下:（1）借助SOFC一維通量平衡模型對NSDC體系復合SOFC在600℃下的j-V曲線進行了理論計算,并對溫度、陰極氣體壓強、電池結構及燃料濃度對其性能影響進行討論分析,得出溫度、電池結構對電池性能影響比較明顯,而陰極氣體壓強及燃料濃度的影響則相反的結論;（2）利用CFD模型模擬了NSDC體系納米復合SOFC在工作時氣體流道及溫度分布情況。分析了復合電解質(zhì)內(nèi)部不同載流子隨溫度改變產(chǎn)生的比例變化趨勢,結果表明NSDC體系復合電解質(zhì)SOFC的最高功率密度下內(nèi)部質(zhì)子傳導在所有載流子傳導中的所占比例隨溫度的增高而逐漸上升,而氧離... 

【文章來源】：東南大學江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：89 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

SOFC內(nèi)部結構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率明顯更高，還具有更為合適熱膨脹系數(shù)。鈰元素擁有Ce3+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散的氧空位[3]。為提高其中的氧空位濃度從而提高電導率，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的電導率[18]，圖1-2顯示了不同溫度下SDC內(nèi)摻雜濃度與電導率間的關系圖線[19]。除了以上常見的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)摻雜濃度與電導率間的關系[19]（2）摻雜BaCeO3等質(zhì)子傳導低溫SOFC電解質(zhì)材料。除可以傳導氧離子的鈰基中低溫SOFC電解質(zhì)材料外，具有質(zhì)子傳導能力的鈰基電解質(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)的運行效率等優(yōu)勢。質(zhì)子傳導電解質(zhì)材料一般為鈣鈦礦結構（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)子傳導能力[22]。摻

東南大學碩士學位論文4雜BaCeO3材料在800℃下可取得1S/m以上的電導率，其電子傳導能力要低于CeO2，因此可提高SOFC的開路電壓及工作效率[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構的質(zhì)子傳導低溫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）鈣鈦礦結構的氧離子傳導低溫SOFC電解質(zhì)材料。某些具有鈣鈦礦結構的化合物也可以傳導氧離子，如鎵酸鑭（LaGaO3）等復合氧化物。在鎵酸鑭中復合入Sr3+與Mg2+離子后形成的LSGM（La1-xSrxGa1-yMgyO3）材料在500～600℃下的離子電導率可達1S/m[25]。相比鈰基的低溫SOFC電解質(zhì)材料，LSGM的優(yōu)勢在于其在各種化學氣氛下的性能都十分穩(wěn)定。在LSGM中進一步摻入Co3+等離子獲得的LSGMC（La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2-xMxO3，M為Fe、Co、Mn或Cr）材料可進一步提升電解質(zhì)在低溫環(huán)境下的電導率，但摻入過多離子會導致性能下降[26]。除以上幾類電解質(zhì)外，可同時傳導兩種載流子的低溫SOFC復合電解質(zhì)也越來越受到關注。復合電解質(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-氧化物復合電解質(zhì)材料可在較低溫度取得更高的電導率，可達傳統(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合電解質(zhì)的性質(zhì)。1.2.2中低溫SOFC的電極材料簡介SOFC中的電極材料可以起到將電子傳導給外電路并為燃料及氧化劑提供反應場所的作用。電極材料分為陰極及陽極材料，SOFC中的電化學反應主要發(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】：
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