平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池的实验与数值模拟

论文题目: 平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池的实验与数值模拟

论文类型: 博士论文

论文专业: 热能工程

作者: 汤根土

导师: 岑可法,骆仲泱,倪明江

关键词: 固体氧化物燃料电池,纳米级氧化铈固溶体,三合一板,热应力,浓度过电势,动态模型

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 当今世界人类正面临着在有限资源及环保严格要求的双重制约下实现经济和社会可持续发展的重大挑战,而能源问题将更加突出,开发SOFC对中国的可持续发展和有中国特色的社会主义现代化建设具有深远的经济效益和社会效益,在国家安全及国防战略上将扮演着极其重要的角色,它适应了能源供应的安全性、多元化及长远性的需求。而平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池在很多方面体现出了优越性,已成为新一代SOFC发展的必然结果。固溶体粉体的制备是电池组件制备的第一步,本文采用二种方法对纳米粉体的制备过程作了详细的探讨。采用水/CTAB/环己烷/中等碳链长度醇组成的反相微乳体系,制备出了粒径分布均匀、平均晶粒尺寸5～8nm的Ce0.8Y0.2O1.9超细粉体,研究了影响最终产物的因素,包括助表面活性剂、不同ωo、反应物浓度、陈化时间、碱液浓度等。所得产物用TEM进行分析,结果表明助表面活性剂、不同ω。及陈化时间对产物影响不大,但反应物浓度及碱液浓度对产物的晶粒粒径大小有一定的影响。采用溶胶-凝胶与低温自蔓延燃烧相结合的方法合成了纳米级超细Sm0.15Gd0.05Ceo.8O1.9粉体,选用的合成体系有:柠檬酸-硝酸盐,甘氨酸-硝酸盐,EDTA络合-硝酸盐等方法。所合成粉体进行了XRD、TEM及LRS检测,研究了不同方法制备的粉体的结构及晶相。结果表明XRD和LRS相结合能较好地表征固溶体的结构和纯度,几种方法合成的粉体为纯度高的掺杂氧化铈固溶体,晶粒尺寸较均匀,但分散性差。影响最终合成的超细粉体粒径的因素有:有机络合剂的种类、性质,有机络合剂与总金属阳离子比例及形成掺杂固溶体所需的温度。研究了中温固体氧化物燃料电池关键材料制备及三合一板的制备工艺及烧结工艺技术,采用干压成形方法制备了Ni-Gd0.2Ce0.8O1.9多孔阳极,比较了纳米粉体Gd0.2Ce0.8O1.9在不同情况下的烧结致密,结果表明在1400℃达到了致密状态,而且得到了较好的阴极薄膜,通过化学相容性研究表明La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3.8与Gd0.2Ce0.8O1.9能达到较好的化学相容性。发展了用于研究平板状固体氧化物燃料电池的三维数学模型,同时考虑了流体流动、电荷传递及电化学动力学,并对单电池作了数值模拟,分别从气体浓度分布、电势分布及浓度过电势来评价电池性能,结果表明:在高电流密度情况下当燃料沿燃料通道方向流动未出现低燃料浓度区或产物浓度区时,电池电势在燃料流动方向上变化不大;高燃料利用率或高电流密度时浓度过电势较高;在低反应物浓度时反应物浓度稍微变化会使浓度过电势有较大的变化;几何结构的变化对反应物在垂直于燃料流动方向阳极/电解质界面的均匀分布几乎没有影响,但

论文目录:

摘要

ABSTRACTS

第一章绪论

1 引言

2 固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作原理

3 结构类型与特点

4 固体氧化物燃料电池技术及国内外发展现状

4.1 国际上平板状SOFC研制和产业化开发的现状与趋势

4.2 平板状SOFC的研究发展趋势

4.3 单电池各组件材料研究进展

5 本文的主要研究内容

第二章纳米级氧化铈固溶体的制备

Ⅰ 纳米级固溶体Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)的反相微乳法控制合成

1 引言

2 实验部分

2.1 试剂和仪器

2.2 实验流程

3 结果与讨论

3.1 纳米颗粒的形成机理

3.2 物相分析

3.3 助表面活性剂对粒径大小的影响

3.4 ω_0对粒径大小的影响

3.5 反应物浓度对粒径大小的影响

3.6 陈化时间对粒径大小的影响

3.7 表面活性剂与助表面活性剂之比对粒径大小的影响

3.8 碱液浓度对粒径大小的影响

4 结论

Ⅱ 溶胶-凝胶低温燃烧合成法制备Sm_(0.15)Gd_(0.05)Ce_(0.8)O_(1.9)纳米粉体

1 引言

2 实验

2.1 Sm_(0.15)Gd_(0.05)Ce_(0.8)O_(1.9)固溶体的制备

2.2 测试

3 结果与讨论

3.1 晶相和形貌分析

3.2 激光Raman分析

3.3 原因及机理分析

4 结论

第三章平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池三合一板的制备研究

1 引言

2 实验方法

2.1 电解质材料的合成与性能表征

2.2 阳极基底的制备与表征

2.3 阳极支撑致密电解质薄膜的制备与形貌研究

2.4 阴极材料制备与化学相容性研究

3 实验结果与讨论

3.1 阳极

3.2 电解质

3.3 阴极

4 结论

第四章平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池的数值模拟及性能分析

1 引言

2 工作原理及结构介绍

3 数学模型描述

3.1 模型假设

3.2 数学模型描述

4 计算结果与讨论

4.1 浓度分布

4.2 电势分布

4.3 参数分析

4.4 模型验证

5 结论

第五章平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池堆热应力的理论分析与结构设计考虑

1 引言

2 热应力数值模拟及方形PEN板结构稳定性设计

2.1 热应力分布

2.2 温度对热应力的影响

2.3 阳极厚度对热应力的影响

2.4 电解质厚度对热应力的影响

2.5 PEN板稳定性及可靠性的宏观设计

3 温度场数值模拟

3.1 电化学控制方程

3.2 能量控制方程

3.3 结果与讨论

4 结论

第六章阳极支撑平板状固体氧化物燃料电池堆的动态模型及仿真

1 引言

2 模型描述

2.1 固体氧化物燃料电池的基本工作原理

2.2 模型假设

2.3 气体输运特征

2.4 过电势

2.5 电池堆电压

3 仿真结果和讨论

3.1 阶跃响应

3.2 变负荷响应

4 结论

第七章全文总结和展望

1 本文主要研究成果

2 本文主要创新点

3 不足之处和今后工作设想

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间发表的学术论文目录

发布时间: 2005-10-08

参考文献

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[3].微生物电解池处理水热液化废水同步制氢的研究[D]. 申瑞霞.中国农业大学2018
[4].低价铌氧化物电解电容器阳极的开发及相关机理研究[D]. 李荐.中南大学2003
[5].阳极负载新型复合电解质中温固体氧化物燃料电池的研制及其性能研究[D]. 毕忠合.中国科学院研究生院（大连化学物理研究所）2005
[6].固体氧化物燃料电池的电极材料研究和单电池数值模拟[D]. 李彦.浙江大学2006
[7].以碳氢化合物为燃料的中温固体氧化物燃料电池的新型阳极[D]. 朱威.中国科学技术大学2006
[8].中温固体氧化物燃料电池材料制备及性能研究[D]. 刘荣辉.昆明理工大学2007
[9].阳极负载中温固体氧化物燃料电池关键材料的研究及单电池数值模拟[D]. 罗丹.浙江大学2007
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平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池的实验与数值模拟

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