本文關(guān)鍵詞：新型低溫固體氧化物燃料電池復合材料制備與器件設(shè)計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：由于一直以來世界能源系統(tǒng)的不合理性,使得目前能源問題和環(huán)境問題已經(jīng)到了極其嚴峻的地步。這就迫使我們不得不尋找新的清潔的能源技術(shù)來緩解并消除目前的能源和環(huán)境負擔。在眾多的清潔能源技術(shù)形式中,固體氧化物燃料電池(SOFC)技術(shù)脫穎而出,被認為是21世紀最有希望的能源技術(shù)。然而,現(xiàn)階段固體氧化物燃料電池依然面臨著很多問題,短期內(nèi)還很難投入使用。常規(guī)的固體氧化物燃料電池通常是由兩個具有催化活性的混合離子電子導體多孔電極夾著一層致密的純離子導體的電解質(zhì)層構(gòu)成的。這種經(jīng)典的設(shè)計思路在保證其能夠完美實現(xiàn)燃料電池電化學功能的同時也帶來了一些不可避免的弊端。電解質(zhì)層只能使用純離子導體材料造成材料上非�？量痰南拗�,一旦電解質(zhì)層出現(xiàn)電子導電情況,電池的性能就會大打折扣。同時為了獲得高的離子電導率,操作溫度需要非常高,帶來制備、維護以及匹配材料方面的困難。三層結(jié)構(gòu)引入兩個界面,這樣可能因為熱匹配和擴散反應(yīng)等問題使得兩個性能很好地材料無法組合使用。多層結(jié)構(gòu)、高溫運行和高溫陶瓷制備路線帶來昂貴的材料成本、制造成本和維護成本,同時還帶來單體堆的設(shè)計、封裝方面的困難,使得其很難廉價化。因此,放棄使用純離子導電材料制備電解質(zhì)層的設(shè)計思路,徹底解除其對材料的限制,轉(zhuǎn)而探索新型的SOFC設(shè)計思路,對于SOFC的低溫化、廉價化、實用化有非常重要的意義。本論文主要工作是嘗試制備出高性能低溫SOFC,同時探索全新形式的SOFC設(shè)計思路。第一章,簡單介紹了燃料電池的發(fā)展史以及燃料電池電化學反應(yīng)過程所涉及的一些熱力學、動力學理論模型,并圍繞燃料電池的能量轉(zhuǎn)換過程展開進一步的理論探究。嘗試分析分子層面能量轉(zhuǎn)換的具體過程,從分子層面給出一個燃料電池理論電效率的一種解釋。第二章,用sol-gel法制備了鋱摻雜氧化鈰TDC,并跟層狀氧化物半導體材料LNCA進行了異質(zhì)復合,明顯改善了材料的離子輸運特性,制備的單電池在460-500°C溫區(qū)內(nèi)獲得了190-610 m W cm-2的峰值功率輸出,遠遠高于用純TDC作為電解質(zhì)制備的單電池的性能(在550-700°C溫區(qū)內(nèi)峰值功率密度為60-152m W cm-2)。隨后本文采用一步法制備了表面復合碳酸鈉的鋱摻雜氧化鈰材料C-TDC,并且跟層狀氧化物半導體材料LNCA進行了異質(zhì)復合,進一步改善了異質(zhì)復合離子電導,使單電池器件可以在415°C時獲得350 m W cm-2的峰值功率密度。第三章,研究了不同復合體系的電化學性能,對比了多元復合體系C-TDC/LNCA、C-TDC/LSCF和C-TDC/LNCA/LSCF用于燃料電池制備時的性能差異。發(fā)現(xiàn)C-TDC/LNCA體系在500°C時表現(xiàn)出最好的性能,而C-TDC/LSCF體系在600°C時性能最優(yōu),C-TDC/LNCA/LSCF體系在500-600°C溫區(qū)都表現(xiàn)出中等的性能。第四章,篩選具有p型半導體特性的e/H+/O2-三元共傳導層狀氧化物材料LNCA和在低氧分壓下具有n型半導體特性的e/O2-二元傳導材料TDC+Co分別作為陽極和陰極,設(shè)計制備了雙層結(jié)構(gòu)的p-n結(jié)型燃料電池,獲得了優(yōu)異的低溫性能。第五章,總結(jié)了本論文的主要工作,并指出針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該設(shè)計不同類型的燃料電池,描繪出一幅非常有吸引力的農(nóng)村清潔能源體系愿景。
【關(guān)鍵詞】：LT-SOFC 復合離子導體材料 p-n結(jié)型燃料電池 物理電化學
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.4;TB33
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-22
• 1.1 燃料電池簡介10-14
• 1.1.1 燃料電池發(fā)展史10-11
• 1.1.2 燃料電池熱力學11-13
• 1.1.3 燃料電池反應(yīng)動力學13-14
• 1.2 對燃料電池的直觀理解與能量轉(zhuǎn)換過程14-20
• 1.2.1 燃料電池極化過程的直觀理解14-16
• 1.2.2 燃料電池能量轉(zhuǎn)換過程16-20
• 1.3 燃料電池的分類20
• 1.4 固體氧化物燃料電池簡述20-21
• 1.5 固體氧化物燃料電池的特點和工作原理21
• 1.5.1 新型固體氧化物燃料電池21
• 1.6 本論文的研究內(nèi)容21-22
• 第二章 體異質(zhì)結(jié)型固體氧化物燃料電池的制備22-36
• 2.1 引言22-25
• 2.2 基于BHJ原理的固體氧化物燃料電池(BJFC）設(shè)計與研究25-27
• 2.2.1 材料選擇與設(shè)計25-27
• 2.3 材料與BJFC的制備與表征27-29
• 2.3.1 材料制備27
• 2.3.2 單電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化與制備27-28
• 2.3.3 產(chǎn)物物相分析28
• 2.3.4 產(chǎn)物的形貌分析28-29
• 2.3.5 單電池電化學性能表征29
• 2.3.6 熱重分析29
• 2.4 結(jié)果與討論29-35
• 2.4.1 材料表征29-31
• 2.4.2 器件表征31-35
• 2.5 本章總結(jié)35-36
• 第三章 BJFC的優(yōu)化設(shè)計與不同復合材料的電化學性能研究36-48
• 3.1 引言36
• 3.2 基于碳酸鹽表面復合材料的低溫固體氧化物燃料電池研究36-41
• 3.2.1 材料制備與器件制備36-37
• 3.2.2 產(chǎn)物物相和形貌分析37
• 3.2.3 電化學性能測試37
• 3.2.4 結(jié)果與討論37-40
• 3.2.4.1 材料表征37-39
• 3.2.4.2 器件表征39-40
• 3.2.5 小結(jié)40-41
• 3.3 不同復合體系用于新型BJFC的電化學性能對比41-47
• 3.3.1 原料準備與器件制備與測試41
• 3.3.2 原料物相和形貌分析41
• 3.3.3 結(jié)果與討論41-47
• 3.3.3.1 材料表征42-43
• 3.3.3.2 器件表征43-47
• 3.3.4 小結(jié)47
• 3.4 本章總結(jié)47-48
• 第四章 P-N結(jié)型燃料電池的從頭設(shè)計與研究48-63
• 4.1 引言48
• 4.2 P-N結(jié)型燃料電池的設(shè)計48-51
• 4.2.1 電極材料的設(shè)計與選擇48-50
• 4.2.2 燃料電池工作原理設(shè)計50-51
• 4.3 實驗51-52
• 4.3.1 樣品制備51-52
• 4.4 結(jié)果與討論52-61
• 4.4.1 材料表征分析52-55
• 4.4.2 器件表征55-56
• 4.4.3 整流特性分析56-61
• 4.5 本章總結(jié)61-63
• 第五章 結(jié)論和愿景63-68
• 5.1 結(jié)論63-64
• 5.2 愿景64-67
• 5.3 尚待解決的問題67-68
• 參考文獻68-75
• 攻讀碩士學位期間取得的科研成果75-77
• 致謝77

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本文編號：374740