固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種可以直接將化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)發(fā)電裝置,其在緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染方面正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。然而,由于運(yùn)行溫度高（>850℃）而導(dǎo)致的高成本和有限的系統(tǒng)壽命,嚴(yán)重阻礙了 SOFC技術(shù)的商業(yè)化。因此迫切需要將SOFC的運(yùn)行溫度降低至中溫區(qū)（600～800℃）。然而,溫度的降低會(huì)使電極的極化電阻急劇增加,從而導(dǎo)致整個(gè)電池的性能衰減。因此,在中溫區(qū)發(fā)展高效、穩(wěn)定且成本低廉的電極材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)SOFC的商業(yè)化至關(guān)重要。本論文主要以鈣鈦礦基電極材料為研究對(duì)象,采用實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合的方式探究影響電極催化活性和穩(wěn)定性的主要因素,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)潛在的中溫SOFC電極材料。首先,為了研究不同稀土摻雜對(duì)BaCo0.7Fe0.3O3-δ（BCF）單鈣鈦礦陰極的晶體結(jié)構(gòu)和氧還原反應(yīng)（ORR）活性的影響,合成了 LnxBa1-xCo0.7Fe0.3O3-δ（Ln=La,Pr,Nd,x=0.1,0.2）系列稀土摻雜的新型單鈣鈦礦陰極材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,適量的稀土摻雜能夠?qū)CF低對(duì)稱(chēng)的六方相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔?duì)稱(chēng)的立方相。同BCF相比,該系列化合物表現(xiàn)出顯著增... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)與燃料電池系統(tǒng)的能源利用率對(duì)比圖??表１．１燃料電池的優(yōu)勢(shì)［Ｎ４］??

?０２￣?（１．１）??陽(yáng)極氧化反應(yīng)：??Ｈ２＋?０２－—?Ｈ２０?＋?２ｅ－?（１．２）??總反應(yīng)：??１?，??Ｈ２?＋－〇２?－？?Ｈ２０?（１．３）??１／２０，＋?２ｅ－?＝?０２－?°２?°２?°２?ｅ－??〇２－?ｔ?Ｉ?？?Ｉ?＇??日?ｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?０２＇?〇２－?０２－?〇匕？?＿??Ｔ?ｕ?Ｔ?Ｔ?〇２－?１?、、??；－＞?Ｋ??Ｈ２?＋?Ｃｙ－?＝?Ｈ２０?＋?２ｅ－?ｆＨ２〇?ｆＨ２°?ｔ?Ｈ２〇?ｅ＇??ｈ２?ｈ２?ｈ２??圖１．２?ＳＯＦＣ的工作原理示意圖［７］??ＳＯＦＣ的理論可逆電動(dòng)勢(shì)￡可由式（１．４）的Ｎｅｒｎｓｔ方程求得：??〇?ＲＴ?Ｐｈ２??Ｅ?＝?Ｅ?＋?Ｉｎ?Ｐｏ，?＋?Ｉｎ———?（１．４）??４Ｆ?２?２Ｆ?Ｐｈ２ｏ??其中，為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電池的可逆電動(dòng)勢(shì)；??Ｒ為摩爾氣體常數(shù)，其值為８．３１４?ＩｍｏｒｉｌＣ１；??ｆ為法拉第常數(shù)，其值為ｇｊＳｘｉｏＡｃ．ｍｏｒ１；??Ｔ為電池的工作溫度，其單位為Ｋ；??戶(hù)０２、／＼和／＼｜：０分別為〇２、Ｈ２和Ｈ２〇的蒸汽分壓。??事實(shí)上，電池在實(shí)際工作中由于不可避免的損耗，ＳＯＦＣ的實(shí)際電動(dòng)勢(shì)要低??于式（１．４）中的理論可逆電動(dòng)勢(shì)￡。從燃料電池輸出的電流越多，其損耗就越??大。一般來(lái)說(shuō)，存在三種主要的損耗，它們決定了一個(gè)燃料電池電流－電壓（Ｉ－Ｖ）??曲線的特征形狀，如圖１．３所示［１，２］。開(kāi)路條件下，ＳＯＦＣ的電壓值略低于其理論??電動(dòng)勢(shì)五。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，電極逐漸偏離其平衡態(tài)，出現(xiàn)極化過(guò)程，分為活化??極化、歐姆極化和濃差極化三部分�；罨瘶O化對(duì)應(yīng)于電極表面非常緩慢的電化學(xué)??反應(yīng)過(guò)程

?第一章緒論???電極表面物質(zhì)擴(kuò)散速度緩慢所造成的一種極化過(guò)程，其電壓與電流的關(guān)系曲線也??是非線性下降。因此，燃料電池的實(shí)際電壓輸出可以由式（１．５）得到：??Ｖ?—?＿?Ｔ｜ａｃｔ?—?ｌ＂）〇ｈｍｉｃ?一?ｒ｜ｃｏｎｃ?（１．５）??式中，Ｖ表示燃料電池的實(shí)際輸出電壓；??Ｅｔｈｅ？。表示熱力學(xué)預(yù)測(cè)的理論電壓輸出；??Ｔ）ａｃｔ表示由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)引起的活化損耗；??Ｉｈｍｉｅ表示由離子和電子傳導(dǎo)而引起的歐姆損耗；??Ｔｌｅｃｍｅ表示由質(zhì)量傳輸引起的濃度損耗。??遺憾的是，在電池的實(shí)際工作過(guò)程中，極化損失是不能夠被完全消除掉的。??我們可以通過(guò)改善電池的組成材料及改進(jìn)電池的設(shè)計(jì)工藝等來(lái)降低電池中的各??種極化損失。例如，盡量減小電解質(zhì)的厚度以減少電池的歐姆損失；提高電極的??催化活性以減少活化損失；控制燃料輸入的流量并改進(jìn)電池的構(gòu)型以避免濃度損??失［６］。??＞?ｉ??＾理論可逆電動(dòng)勢(shì)￡??￡?ｉ??＾?＇歐姆損失??Ｉ：?／＼??天Ｉ?傳廣損失１???ｙ??電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）??圖１．３燃料電池的電流－電壓（Ｉ－Ｖ）曲線示意圖［１］??１．２．２固體氧化物燃料電池的組成結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)??ＳＯＦＣ是一種全固態(tài)的發(fā)電裝置，主要由陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)以及連接體材??料等組成，如圖１．４所示。在實(shí)際工作中，電池的每一個(gè)組件必須滿(mǎn)足一定的性??能要求，才能保證ＳＯＦＣ的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。下面將分別介紹每個(gè)組件的特性及相??應(yīng)的性能要求。??５??


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