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固体氧化物燃料电池复合阳极材料的制备和性能研究

作　者: 牛江坡
导　师: 刘晓梅
学　校: 吉林大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 固体氧化物燃料电池 阳极 Ni-SDC Ni1-xCux-SDC Ni1-xFex-SDC
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 238次
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内容摘要


本文通过对中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)复合阳极材料的合成和电化学性能的研究,探讨了微结构及材料组分对阳极性能的影响。采用甘氨酸-硝酸盐法制备初始粉末,在600℃预烧4小时得到SDC和NiO前驱物,按NiO与SDC的不同质量比,还原制备一系列Ni-SDC复合阳极材料。结果表明,阳极材料的性能在很大程度上取决于Ni的含量,复合阳极材料的电导率与Ni含量呈S形趋势,可以根据渗流理论解释为:材料中存在两种导电机制,即穿过Ni相的电子导电通道和穿过SDC相的离子导电通道。复合阳极材料的渗透阈值是Ni在Ni-SDC中的体积分数为30%。NiO质量分数为60%的阳极初体,还原成复合材料Ni-SDC为阳极的单电池具有最好的电池输出性能,600和800℃时的最大功率密度分别是42.55 mW/cm2和301.19 mW/cm2。在前面实验的基础上,选择金属氧化物与SDC的质量比为60:40,用甘氨酸-硝酸盐法制备合成Ni1-xCux(0≤x≤0.20)-Ce0.85Sm0.15O2-δ(SDC)和Ni1-xFex(0≤x≤0.25)-Ce0.85Sm0.15O2-δ(SDC)双金属系列阳极材料,形成了单相性较好的合金固溶体和电解质SDC相。测量并比较了样品的晶体结构和电化学性能。600℃时,Ni0.90Cu0.10-SDC阳极的电导率达到了1005.41 Scm-1,600和800℃其单电池的最大功率密度分别是54.72 mW/cm2和482.95 mW/cm2。600℃时,Ni0.75Fe0.25-SDC的电导率达到了505.219 Scm-1,600和800℃其单电池的最大功率密度分别是49.22 mW/cm2和331.63 mW/cm2。结果表明,双金属复合阳极材料,Cu、Fe在Ni中的掺杂能够提高复合阳极材料的电导率和对氢气具有更好的催化活性。双金属复合阳极材料的性能优于单金属阳极材料,这类双金属阳极材料有很好的发展潜力。烧结温度对阳极性能影响的测试结果表明,烧结温度为1250和1100℃的Ni-SDC为阳极材料,其单电池在800℃时最大功率密度分别为197.5 mW/cm2和301.19 mW/cm2。

全文目录


提要  4-8
第一章 绪论  8-24
  1.1 燃料电池概述  8-11
    1.1.1 燃料电池的发展状况及种类  8-9
    1.1.2 燃料电池的特点  9-10
    1.1.3 我国发展燃料电池的紧迫性及展望  10-11
  1.2 燃料电池电化学原理  11-12
    1.2.1 基本原理  11
    1.2.2 燃料电池的热力学  11-12
  1.3 SOFC工作原理及特点  12-14
    1.3.1 SOFC工作原理  12-13
    1.3.2 SOFC的结构类型和特点  13-14
  1.4 SOFC的组件及性能要求  14-22
    1.4.1 电解质材料  14-15
    1.4.2 阴极材料  15-16
    1.4.3 阳极材料及H2氧化的动力学  16-21
    1.4.4 密封材料  21-22
    1.4.5 连接材料  22
  1.5 SOFC实际工作曲线  22-23
  1.6 本文的主要工作及研究目的  23-24
第二章 样品的制备方法及测试手段  24-30
  2.1 实验仪器  24
  2.2 甘氨酸－硝酸盐法简介（Glycine－nitrate process，GNP）  24-25
  2.3 测试手段和表征方法  25-30
    2.3.1 物相结构测试  26
    2.3.2 高温电导率  26-27
    2.3.3 单电池测试  27-30
第三章 Ni－SDC阳极的性能随Ni含量变化的研究  30-46
  3.1 引言  30-31
  3.2 阳极材料的合成及电极的制备  31-33
    3.2.1 甘氨酸－硝酸盐法制备SDC和NiO  31-32
    3.2.2 复合阳极材料NiO－SDC及电池的制备过程  32-33
  3.3 物性测试及性能研究  33-43
    3.3.1 XRD谱图  33-34
    3.3.2 高温电导率测试结果及分析  34-38
    3.3.3 单电池试验测试  38-43
  3.4 本章小结  43-46
第四章 双金属复合阳极的性能研究  46-72
  4.1 引言  46-47
  4.2 Ni_(1-x)Cu_x－SDC复合阳极制备  47-48
    4.2.1 Ni_(1-x)Cu_x－SDC阳极材料的合成  47-48
    4.2.2 复合阳极的制备  48
  4.3 Ni_(1-x)Cu_x(0≤x≤0.2)-Ce_(0.85)Sm_(0.15)O_(2-δ)(SDC)复合阳极的物性测试及结果分析  48-59
    4.3.1 XRD图谱  48-50
    4.3.2 高温电导率  50-52
    4.3.3 单电池测试  52-59
  4.4 Ni_(1-x)Fe_x－SDC复合阳极制备  59-60
    4.4.1 Ni_(1-x)Fe_x－SDC阳极材料的合成  59-60
    4.4.2 复合阳极的制备  60
  4.5 Ni_(1-x)Fe_x(0≤x≤0.25)-Ce_(0.85)Sm_(0.15)O_(2-δ)(SDC)复合阳极的物性测试及结果分析  60-70
    4.5.1 XRD图谱  60-62
    4.5.2 高温电导率  62-64
    4.5.3 单电池测试  64-70
  4.6 本章小节  70-72
第五章 烧结温度对Ni－SDC阳极材料的影响  72-78
  5.1 引言  72
  5.2 单电池试验测试  72-77
  5.3 本章小结  77-78
第六章 结论与展望  78-82
  6.1 结论  78-79
  6.2 展望  79-82
参考文献  82-87
摘要  87-90
Abstract  90-94
致谢  94-95
攻读硕士学位期间发表论文目录  95

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
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