基于锰铁掺杂的铬酸锶镧的燃料电池阳极复合材料研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种全固态的发电装置,它具有高效率,低污染的优点,基于这些优点,对SOFC的研究达到了空前的热度。传统的SOFC以氧化钇稳定氧化锆（YSZ）为电解质、使用氢气（H2）作为燃料,其阳极通常使用Ni/YSZ金属陶瓷材料,在H2条件下它表现出卓越的性能。但是,H2主要是通过电解水或裂解石油制备,造成SOFC燃料成本偏高,为了降低运行成本、推进SOFC的实用化,需要直接使用含碳燃料,但以Ni/YSZ为阳极的SOFC在对含碳燃料的测试中却出现了明显的性能衰退。这就迫使我们去寻找一种全新的阳极材料。钙钛矿氧化物凭借自己在氧化和还原气氛下突出的稳定性优势,作为SOFC阳极材料引起了广泛的关注。研究发现,用碱土和过渡族元素分别对LaCrO3的La位和Cr位进行掺杂能够有效地改善材料的电催化性能,使这种原本用于SOFC连接体的材料被成功改造为具有抗御碳沉积能力的阳极材料。其中,掺杂较为成功的材料是LaxSr1-xCryMn1-yO3-δ（LSCrM）和LaxSr1-xCryFe1-yO3-δ（LSCrFe）,它们在还原气氛中表现出了良好的稳定性,但这两种材料的电导率都不够高、电催化能力也非常有限。本文的研究重点就是将具有高离子导电性的SDC,高电子导电性并具有阳极催化能力的Ni,Cu,Ag等掺入到LSCrM和LSCrFe中,形成复合阳极材料,以提升和改善其阳极的性能。以纯LSCrM为阳极,YSZ为电解质,（La,Sr）MnO3（LSM）为阴极的SOFC在H2条件下850oC的输出功率密度为230mW/cm2。在同样的测试条件下,以浸渍SDC的LSCrM为阳极的SOFC输出性能达到了400mW/cm2,如果将具有高催化性能的Ni和高离子电导率的SDC同时浸渍到LSCrM电极材料中,电池的性能达到1100mW/cm2,这是迄今为止有关LSCrM报道的最高值。在对含碳燃料CH4的测试中电池的输出性能提高的更为明显,由Ni和SDC浸渍的LSCrM阳极使SOFC的输出功率密度达到645mW/cm2。与LSCrM一样,LSCrFe电极的掺杂也同样取得了显著的成效,以Ni和SDC浸渍LSCrFe为阳极的SOFC在H2和CH4条件下的输出功率密度分别达到了783和214mW/cm2（850oC）。本文还对传统的机械混合和新的溶液浸渍复合阳极制备方法做了相应的对比,证明浸渍方法更为有效。在对浸渍Ni的钙钛矿电极进行6h的连续运行测试过程中性能衰退并不明显,并且在最终的电镜照片中也没有发现碳沉积。这表明,微量Ni催化剂的存在并不会引起明显碳沉积,因此只要有效控制Ni在电极中的含量,可以在不引起碳沉积的情况下极大的提升电极的催化性能。为了确保浸渍的纳米颗粒能够在电极内部分布得更加均匀,我们采取了真空浸渍的手段,并对常压浸渍和真空浸渍结果进行了对比。为了考察复合阳极中Ni的含量对其性能的影响,我们采用不同浓度的Ni（NO3）2溶液对电极进行浸渍处理,最终的测试结果表明电极的催化性能随Ni含量的增加而不断改善。上述研究结果表明,在LSCrM和LSCrFe基础上制备的SOFC复合阳极材料具有很好的发展前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池
• 1.1.1 燃料电池的概念及特点
• 1.1.2 燃料电池的发展背景
• 1.1.3 燃料电池的分类及应用
• 1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）
• 1.2.1 SOFC的工作原理
• 1.2.2 SOFC各组成部分材料的特点
• 1.3 SOFC阳极材料的研究进展
• 1.3.1 Ni/YSZ阳极
• 2掺杂电极'>1.3.2 CeO₂掺杂电极
• 1.3.3 钙钛矿氧化物阳极
• 1.4 本文主要的研究内容
• 第2章 钙钛矿氧化物阳极的制备及物性测试
• 2.1 材料的制备
• 2.1.1 电极材料的制备
• 2.1.2 电解质片的制备
• 2.2 阳极材料的物性测量
• 2.2.1 阳极材料的物相测量
• 2.2.2 热膨胀系数（TEC）的测量
• 2.2.3 高温电导率的测试
• 2.2.4 样品的活化能计算
• 2.3 本章小结
• 第3章 以LSCrM为阳极的SOFC研究
• 3.1 SOFC单电池的制备
• 3.2 单电池的测试装置
• 3.3 单电池测试结果及分析
• 3.3.1 以纯LSCrM为阳极的SOFC
• 3.3.2 SDC/LSCrM复合阳极
• 2/LSCrM复合阳极'>3.3.3 Ni/CeO₂/LSCrM复合阳极
• 3.3.4 真空浸渍方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 以LSCrFe为阳极的SOFC研究
• 4.1 以纯LSCrFe为阳极的SOFC研究
• 4.2 经过浸渍处理的LSCrFe阳极
• 4.3 Ni的浸渍量对电极性能的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 1 实验仪器
• 附录 2 实验所需试剂
• 致谢