本文關(guān)鍵詞：基于X射線CT技術(shù)研究Ni-YS陽(yáng)極內(nèi)部結(jié)構(gòu)和氣體擴(kuò)散反應(yīng)

  更多相關(guān)文章： X射線成像 格子 Boltzmann方法 復(fù)合陽(yáng)極 三維結(jié)構(gòu) 有效三相界面

【摘要】：伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,傳統(tǒng)化石能源的緊缺以及使用中產(chǎn)生的污染使得如何清潔高效地利用能源顯得十分有必要。固體氧化物燃料電池是一種高效低污染的能量轉(zhuǎn)換裝置。由于電池運(yùn)行溫度較高,電極微結(jié)構(gòu)在電池運(yùn)行期間發(fā)生改變。基于硬X射線納米CT技術(shù),我們可以無(wú)損地獲取Ni-YSZ陽(yáng)極的精細(xì)三維結(jié)構(gòu),并發(fā)展了一些可取的方法對(duì)電池結(jié)構(gòu)的一些參數(shù)定量分析。在精細(xì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用格子Boltzmann方法對(duì)陽(yáng)極內(nèi)氣體擴(kuò)散和反應(yīng)進(jìn)行了模擬,分析影響電池性能的一些關(guān)鍵因素,幫助我們理解電池長(zhǎng)期運(yùn)行后性能損失的機(jī)理,為優(yōu)化電極材料制備提供建議。本文主要進(jìn)行了以下工作：1.調(diào)研硬X射線納米CT技術(shù)的基本原理,了解其他成像方法,X射線成像的優(yōu)勢(shì)。利用X射線CT技術(shù)得到Ni-YSZ復(fù)合陽(yáng)極樣品投影數(shù)據(jù),通過(guò)三維重構(gòu)軟件Xradia和三維渲染軟件Amira得到樣品的三維結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部Ni、YSZ和孔隙各相的三維分布。介紹格子Boltzmann方法的基本原理,在演化方程中添加源項(xiàng)同時(shí)將測(cè)量的有效三相界面作的真實(shí)分布為反應(yīng)位點(diǎn)添加到模型中。2.研究了Ni-YSZ復(fù)合陽(yáng)極經(jīng)過(guò)20小時(shí)2.5 A.cm一2運(yùn)行電流密度測(cè)試與未經(jīng)運(yùn)行測(cè)試的三維微結(jié)構(gòu)變化�；赬射線納米CT技術(shù)重構(gòu)了未測(cè)試和測(cè)試后的陽(yáng)極樣品的微結(jié)構(gòu),對(duì)比了兩者的斷層投影圖像以及用Amira軟件對(duì)兩組樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行渲染圖。采用“特征射線”的方法分析了未測(cè)試和測(cè)試后Ni顆粒尺寸大小分布；通過(guò)劃分體素的方法,統(tǒng)計(jì)計(jì)算了兩組樣品中各相體積分?jǐn)?shù)、連通性以及三相界面密度等陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)�？砂l(fā)現(xiàn)測(cè)試后,小尺寸Ni顆粒的移動(dòng)聚集導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變化,如連通性下降、三相界面密度下降等,而長(zhǎng)期運(yùn)行的固體氧化物燃料電池內(nèi),三相界面密度的下降是導(dǎo)致性能損失的一個(gè)主要原因。3.用熱循環(huán)來(lái)模仿電池運(yùn)行的情況,基于由硬X射線成像方法重構(gòu)得到的不同循環(huán)次數(shù)電極的三維結(jié)構(gòu),利用格子Boltzmann方法模擬不同次數(shù)熱循環(huán)后陽(yáng)極內(nèi)氣體擴(kuò)散反應(yīng)的情況,得到氣體消耗與產(chǎn)生的三維分布。觀察到有效三相界面區(qū)域內(nèi)產(chǎn)物的聚集和燃料的消耗,這種局部的差異會(huì)阻礙繼續(xù)進(jìn)行的氣體擴(kuò)散和反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)發(fā)現(xiàn)有效三相界面密度大小是表征電池性能一個(gè)重要參數(shù),但是其分布以及Ni-YSZ陽(yáng)極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(比如孔隙率)也比較重要。
【關(guān)鍵詞】：X射線成像 格子 Boltzmann方法 復(fù)合陽(yáng)極 三維結(jié)構(gòu) 有效三相界面
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R814;O434.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-28
• 1.1 引言10
• 1.2 固體氧化物燃料電池10-14
• 1.2.1 固體氧化物燃料電池發(fā)展歷史10-11
• 1.2.2 存在的優(yōu)勢(shì)和不足11-13
• 1.2.3 應(yīng)用前景13-14
• 1.3 固體氧化物燃料電池的機(jī)理14-19
• 1.3.1 電化學(xué)機(jī)理14-17
• 1.3.2 結(jié)構(gòu)材料17-18
• 1.3.3 輸出功率影響因素18-19
• 1.4 氣體輸運(yùn)過(guò)程模擬19-23
• 1.5 本文主要工作和內(nèi)容安排23-24
• 參考文獻(xiàn)24-28
• 第二章 樣品三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)和模擬分析28-42
• 2.1 樣品結(jié)構(gòu)成像手段28-30
• 2.2 X射線成像系統(tǒng)30-33
• 2.3 格子Boltzmann方法33-38
• 2.4 本章總結(jié)38-39
• 參考文獻(xiàn)39-42
• 第三章 研究電池測(cè)試后Ni-YSZ陽(yáng)極三維結(jié)構(gòu)變化42-52
• 3.1 樣品制備和陽(yáng)極測(cè)試42-43
• 3.1.1 陽(yáng)極制備過(guò)程42
• 3.1.2 電極測(cè)試過(guò)程42-43
• 3.2 研究樣品測(cè)試前后三維結(jié)構(gòu)的變化43-47
• 3.2.1 樣品圖像分析43-45
• 3.2.2 粒徑分布和樣品的計(jì)算參數(shù)45-47
• 3.3 本章總結(jié)47-49
• 參考文獻(xiàn)49-52
• 第四章 模擬經(jīng)熱循環(huán)Ni-YSZ陽(yáng)極內(nèi)氣體擴(kuò)散反應(yīng)52-62
• 4.1 Ni-YSZ復(fù)合陽(yáng)極微結(jié)構(gòu)52-54
• 4.1.1 經(jīng)熱循環(huán)陽(yáng)極樣品的處理制備52-53
• 4.1.2 Ni-YSZ復(fù)合陽(yáng)極微結(jié)構(gòu)參數(shù)53-54
• 4.2 模擬陽(yáng)極內(nèi)氣體擴(kuò)散反應(yīng)54-58
• 4.2.1 含反應(yīng)過(guò)程氣體輸運(yùn)54-55
• 4.2.2 模擬經(jīng)不同熱循環(huán)陽(yáng)極樣品內(nèi)氣體擴(kuò)散55-58
• 4.3 本章總結(jié)58-59
• 參考文獻(xiàn)59-62
• 第五章 總結(jié)與展望62-64
• 致謝64-66
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和取得的研究成果66

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