中、低温天然气固体氧化物燃料电池中电解质及Ni/SDC阳极性能研究

【摘要】： 燃料电池是一种高效低污染的电化学装置,具有环境友好、能量转换率高和燃料适应广泛等优点。固体氧化物燃料电池(SOFC)作为第三代燃料电池,其所有的部件是固态的,具有无漏液、启动快寿命长等特点,被认为是21世纪的绿色能源。 传统的以氢气为燃料的高温SOFC存在以下问题: 1,高温运行,对于各个组成部件的要求苛刻,难与密封,成本高。 2, YSZ电解质在中、低温下离子导电率低,不适在中、低温下进行操作。 3,氢气储存和运输比较困难,相对于天然气、生物制气等昂贵,运行成本高。 最近,为了解决上述问题中、低温直接碳氢固体氧化物燃料电池的研究被提上了议程。本文研究了以NiO/SDC为阳极,搀杂的Ce0.8M0.2O1.9 (M = Y、Gd、Sm、La)及搀杂的BaCe0.8M0.2O2.9 (M = Y、Gd、Sm、La)为电解质的中、低温天然气固体氧化物燃料电池的性能。研究结果表明:50wt% NiO/SDC阳极材料具有与搀杂Ce0.8M0.2O1.9 (M = Y、Gd、Sm、La)电解质及搀杂的BaCe0.8M0.2O2.9 (M = Y、Gd、Sm、La)电解质相近的热膨胀系数,能与它们较好的烧结;搀杂Ce0.8M0.2O1.9 (M = Y、Gd、Sm、La)电解质构成的电池在以天然气为燃料测试时,各电池具有较好的电性能,随着温度的升高各电池的开路电压逐渐降低、电流逐渐升高、电池的功率密度逐渐增大,在600℃各电池的最大功率密度分别为54.93mW/cm-2、59.50 mW/cm-2、45.33 mW/cm-2、37.75 mW/cm-2;以搀杂的BaCe0.8M0.2O2.9 (M = Y、Gd、Sm、La)电解质的单层阳极支撑的电池中,以BaCe0.8Gd0.2O2.9为电解质的电池具有最优的电化学性能,在600℃电池的最大电流密度238.93mA/cm2,最大功率密度49.41mW/cm2;在相同温度下,以天然气为燃料,在测试范围内共压-共烧结法制备的双层(30wt%-60wt%)Ni-SDC/BCY2/LSCF-GDC电池比单层(50wt%)Ni-SDC/BCY/LSCF-GDC电池具有更优的电性能。它们的最大功率密度分别为34 mW/cm2和55 mW/cm2;电池在放电过程中,天然气中一些小分子饱和烃转化为乙烯气体。 通过改进和完善电池的制作工艺和密封性,有望进一步提高电池的输出特性,获得更高的电池性能指标。 【关键词】：固体氧化物燃料电池 天然气 掺杂CeO_2 掺杂BaCeO_3 Ni/SDC
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-9
• 第一章 文献综述9-33
• 1.1 燃料电池简介9-13
• 1.2 固体氧化物燃料电池的特点及工作原理13-14
• 1.3 中、低温直接碳氢固体氧化物燃料电池关键材料14-22
• 1.3.1 中、低温直接碳氢固体氧化物燃料电池氧离子导体电解质材料14-17
• 1.3.2 中、低温直接碳氢固体氧化物燃料电池质子导体电解质材料17
• 1.3.3 中、低温直接碳氢固体氧化物燃料电池的阳极材料17-20
• 1.3.4 中温固体氧化物燃料电池阴极材料20-22
• 1.4 阳极-电解质-阴极三合一的制备及结构设计22-23
• 1.4.1 电极负载的薄膜电解质制备技术22-23
• 1.5 本论文的工作思路23-25
• 参考文献25-33
• 第二章 纳米粉体的制备与表征33-43
• 2.1 实验仪器与设备33-34
• 2.2 粉体的制备34-36
• 2.2.1 溶胶-凝胶法的基本原理34
• 2.2.2 Ce_(0.8)M_(0.2)O_(1.9) (M = Y、 Gd、 Sm、La) 电解质粉末的制备34-35
• 2.2.3 BaCe_(0.8)M_(0.2)O_(2.9) (M = Y、 Gd、 Sm、La) 电解质粉末的制备35-36
• 2.3 粉体表征36-39
• 2.3.1 Ce_(0.8)M_(0.2)O_(1.9) (M = Y、 Gd、 Sm、La) 粉末的物相分析36-37
• 2.3.2 BaCe_(0.8)M_(0.2)O_(2.9) (M = Y、 Gd、 Sm、La)粉末的物相分析37-39
• 2.4 电解质的烧结39-41
• 2.4.1 电解质实际密度的测定40-41
• 2.5 小结41-42
• 参考文献42-43
• 第三章 掺杂CeO_2电解质在Ni/SDC 阳极支撑的中、低温天然气固体氧化物燃料电池中的应用43-63
• 3.1 实验44-52
• 3.1.1 试剂和仪器44
• 3.1.2 阳极支撑陶瓷片的制备44
• 3.1.3 样品表征44-51
• 3.1.4 单电池的制备与性能测试51-52
• 3.2 结果与讨论52-61
• 3.2.1 单电池的微观结构52-56
• 3.2.2 单电池的性能56-59
• 3.2.3 各电池电导率的计算59-61
• 3.3 小结61-62
• 参考文献62-63
• 第四章 掺杂BaCeO_3电解质在Ni/SDC 阳极支撑的中、低温天然气固体氧化物燃料电池中的应用63-75
• 4.1 实验63-66
• 4.1.1 试剂和仪器63-64
• 4.1.2 实验过程64-65
• 4.1.3 单电池的制备65-66
• 4.2 结果与讨论66-72
• 4.2.1 单电池的微观结构66-67
• 4.2.2 单电池的性能测试67-70
• 4.2.3 各电池电导率的计算70-71
• 4.2.4 天然气及尾气的主要成分分析71-72
• 4.3 小结72-74
• 参考文献74-75
• 第五章:结论与展望75-77
• 致谢77-78

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