直接碳氢化合物燃料电池的铜系阳极材料研究

论文摘要

近年来,随着人们对固体氧化物燃料电池（SOFC）研究的深入,直接碳氢化合物固体氧化物燃料电池（D-HC SOFC）越来越引起了人们更多的关注。相比传统的氢气燃料电池来说,D-HC SOFC具有能量密度高、运行成本低及燃料多样性等优点,并且能解决氢气燃料电池带来的高成本,储存及运输困难等一系列问题。目前大多数关于D-HC SOFC的研究仍是集中于如何避免阳极积碳问题的发生。经过大量的实验与研究,人们提出了几种可以避免积碳发生的解决措施。这些措施包括降低反应温度、更换电极材料及电化学氧化等等。本论文采用减少传统Ni/YSZ（yttria-stabilized zirconia）阳极中Ni的含量,然后利用浸渍法加入一定量的Cu以期望来削弱积碳问题。确定Ni含量的原则是既可以保证阳极具有足够的催化活性,也不会过量而导致明显的积碳发生。确定Cu含量的原则是既可以保证阳极保持足够的电子导电能力,也不会多至严重影响电池的性能。除了减小Ni含量的方法外,本文还对Cu-CeO2-YSZ系列阳极做了一定的研究。本文首先制备了两种多孔阳极支撑体—多孔Ni/YSZ支撑体和多孔YSZ支撑体。然后利用浸渍法在多孔Ni/YSZ支撑体的基础上制备了Cu含量分别为5wt%,8wt%,10wt%,15wt%和20wt%的Cu-Ni-YSZ阳极。利用同样的方法在多孔YSZ支撑体的基础上制备了Cu-Ni比例分别为18.9wt%-9.1wt%和26.6wt%-7.9wt%的阳极及Cu-CeO2比例分别为13.3wt%-10.6wt% , 11.8wt%-18.2wt% ,18.8wt%-12.1wt%和20.0wt%-10.0%的阳极。采用致密的YSZ薄膜作为电解质和（La0.7Sr0.3MnO3）LSM/YSZ=1:1的混合物作为阴极,封装电池,分别对其进行测试。测试结果表明,对于Cu-Ni-YSZ阳极来说,Cu浸渍量为15wt%时的电池性能最好。在使用H2和CH4燃料时,800°C时最大功率密度分别达到1190 mW/cm2和892 mW/cm2。这说明Cu的最佳浸渍量应在10wt%20wt%之间。对于四种阳极含有不同Cu-CeO2比例的单电池,其电化学性能和Cu-CeO2的比例有着紧密的联系。此外,本论文还讨论了在Cu-Ni-YSZ阳极中Cu的含量较少时（5wt%和8wt%）,其单电池在使用H2和CH4燃料时的电化学性能对比。发现单电池在使用CH4燃料时的电化学性能要优于使用H2时的性能。SEM图像及切换燃料时测试的欧姆阻抗随时间变化结果表明这种现象和阳极中产生的少量碳沉积有关。并且,这种在使用不同燃料时的性能差别随着Cu含量的增加而减小。实验中还发现利用多孔YSZ支撑体制备的两种Cu/Ni比例分别为18.9wt% -9.1wt%和26.6wt% -7.9wt%的阳极具有与上述相同的现象。最后,本论文还对Cu-Ni-YSZ阳极在单气室条件下做了一定的测试和分析,实验结果良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 固体氧化物燃料电池（SOFC）
• 1.1.1 SOFC简介
• 1.1.2 SOFC组件及材料选择
• 1.2 直接碳氢化合物固体氧化燃料电池（D-HC SOFC）
• 1.2.1 D-HC SOFC 简介
• 1.2.2 D-HC SOFC存在的问题
• 1.2.3 解决措施
• 1.3 本论文主要的内容
• 第2章 铜系阳极制备及单电池测试
• 2.1 概述
• 2.2 多孔阳极支撑体的制备
• 2.2.1 样品制备
• 2.2.2 烧结性能测试
• 2.2.3 孔隙率测试
• 2.2.4 微观结构表征
• 2.3 浸渍法制取Cu系阳极
• 2.3.1 简介
• 2.3.2 实验步骤
• 2.4 单电池的封装
• 2.4.1 电解质薄膜的制备
• 2.4.2 阴极的制备
• 2.4.3 单电池封装及测试
• 2.5 本章小结
• 第3章 单电池测试与结果分析
• 3.1 Cu-Ni-YSZ阳极性能
• 3.1.1 阳极微观结构表征
• 3.1.2 热膨胀性能
• 3.1.3 还原特性
• 3.1.4 电化学性能
• 3.1.5 不同阴极气氛时的电化学性能
• 2-YSZ阳极性能表征'>3.2 Cu-CeO₂-YSZ阳极性能表征
• 3.2.1 微观结构表征
• 3.2.2 还原特性
• 3.2.3 单电池电化学性能及阻抗测试
• 3.3 单气室 SOFC 研究
• 3.3.1 单气室 SOFC 简介
• 3.3.2 实验结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 碳沉积对 SOFC 性能的影响
• 4.1 概述
• 4.2 单电池制备
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 采用多孔Ni/YSZ阳极支撑体
• 4.3.2 采用多孔YSZ支撑体
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录实验仪器
• 致谢