论文摘要
单室固体氧化物燃料电池（SC-SOFC）是固体氧化物燃料电池（SOFC）中一种全新的结构，它只有一个充满含有燃料与氧气混合气体的气室，利用阳极和阴极对燃料与氧气的选择催化性产生电压和电流，避免了传统固体氧化物然电池的密封问题，具有耐热、耐冲击性好、结构简单、紧凑等一系列优点。目前SC-SOFC还存在着一些不可回避的问题，其中电解质支撑同面电池的欧姆电阻大，严重影响电池输出性能；电池传统阳极材料Ni/YSZ在燃料和氧化的混合气氛中会频繁发生氧化-还原循环从而导致电池性能振荡；Ni/YSZ阳极在含碳燃料中还会由于碳沉积导致电池性能的衰退，这些是影响SC-SOFC输出性能和稳定性的三个主要因素。本文以SC-SOFC提高电池电化学性能和运行稳定性为目标，针对目前SC-SOFC中存在的上述问题，从优化电池结构和提高电极稳定性两方面入手展开系统研究，并且尝试在质子导体燃料电池和SC-SOFC中应用同时具有电子、氧离子和质子三种导电性的单相阴极BaPr1-xInxO3-δ（x=0.1，0.2，0.3，BPI）。电解质支撑的同面电池具有结构设计多样性，便于组建电池组等优点，是SC-SOFC的一个重要的分支。但电池欧姆电阻在此类电池内阻中占据主导作用，是影响电池性能的关键因素。针对同面结构电池主要依靠增加电解质厚度，减小电极宽度和缩小电极间距来降低电池欧姆电阻的传统方法都会带来各种新的问题。为此，我们改变思路，从改变电流流通路径和电极的排布的角度出发，发明了两种新的电解质支撑SC-SOFC结构，即凹槽和直角面SC-SOFC。理论模拟和实验观测的结果表明，凹槽电池和直角面电池都改变了电解质中电流的分布，明显缩短了两电极间的离子传导距离，减小了电池的欧姆电阻；同时通过减少阴阳极之间的气体交互影响，提高了电池的开路电压，从而提高了电解质支撑型SC-SOFC的性能。针对SC-SOFC存在的性能振荡问题，采用电池的开路电压、电极温度、放电曲线和交流阻抗谱的测试与同一电池阳极的区域电阻原位测试相结合的研究方法，将电池性能的变化和阳极中Ni的状态改变直接联系起来，证明Ni/YSZ阳极在单室条件下的氧化-还原循环是含Ni阳极SC-SOFC性能振荡的主要原因，揭示了Ni/YSZ阳极在单室条件下发生氧化还原的机理。在此基础上，进一步研究了CH4和O2的比例（M）、电池放电电流（J）和阳极厚度对阳极中Ni氧化还原及电池性能衰退的影响。实验结果表明，M和阳极厚度是影响Ni氧化还原及电池性能衰退的主要原因，在高氧气浓度或薄阳极的SC-SOFC中，Ni的氧化-还原只是一个过程，伴随着这种氧化-还原Ni逐渐趋于氧化的结果是SC-SOFC电池性能衰退的主要原因。测试前后电池阳极的扫描电镜（SEM）照片显示Ni/YSZ阳极在经历单室条件下的多次氧化-还原循环后，Ni颗粒发生不可逆的细化、团聚和阳极机械破裂，这是SC-SOFC性能发生不可逆衰退的主要原因。以BaCO3修饰传统Ni/YSZ阳极，可以极大地提高阳极的耐硫抗碳能力，获得简单、经济、高效的耐硫抗碳阳极催化剂。利用X射线衍射（XRD），微区拉曼光谱（Raman），热重分析（TG）和SEM系统地研究了BaCO3-Ni-YSZ化合物在SOFC的制备和测试中的成相和化学稳定问题，揭示了BaO修饰Ni，BaZr1-xYxO3-δ（BZY）修饰YSZ的选择性的微观结构形成原因，并对Ba-Ni-YSZ阳极在CH4/O2的混合气氛中的抗碳沉积性能和单室条件下的应用做了初步的研究。结果表明，Ba-Ni-YSZ这种经济、简单、高效的催化剂有望在SC-SOFC中乃至化工领域得到应用。首次提出了基于H-SOFC的同时具有电子、氧离子和质子三种导电性能的单相阴极BaPr1-xInxO3-δ（x=0.1，0.2，0.3，BPI）材料。通过系统地测试BPI材料的稳定性和电导率，发现In的掺杂可以明显提高BaPrO3材料在H2O和CO2气氛中的化学稳定性。测试了以BPI2单相材料为阴极的NiO/BZCYYb|BZCYYb|BPI2电池在单室条件下的性能，发现由于Pr的变价，电池在单室结构中不能产生高的输出性能，且稳定性比较差，在短期实验中衰退明显。并进一步对质子导体在SC-SOFC中应用的相关机理进行了分析、讨论。
论文目录
摘要Abstract目录第1章 绪论1.1 课题背景介绍1.2 燃料电池1.2.1 燃料电池的概念1.2.2 燃料电池的分类和特点1.3 固体氧化物燃料电池 （SOFC）1.3.1 SOFC的工作原理1.3.2 SC-SOFC的基本组件及材料1.4 单室固体氧化物燃料电池（SC-SOFC）1.4.1 SC-SOFC的结构和工作原理1.4.2 SC-SOFC的分类及特点1.4.3 SC-SOFC的组件及材料1.4.4 SC-SOFC的单电池和电池组研究进展1.5 SC-SOFC存在的若干主要问题及其研究现状1.5.1 电解质支撑型同面SC-SOFC欧姆电阻影响电池性能的问题1.5.2 Ni/YSZ阳极在单室条件下的氧化-还原问题1.5.3 Ni/YSZ阳极碳沉积问题1.5.4 质子导体电解质在SC-SOFC中应用方面的问题1.6 本论文研究的目的和内容第2章 电解质支撑型SC-SOFC电流传导机制分析及新结构设计2.1 引言2.2 电解质支撑型SC-SOFC电流分布的数值模拟2.2.1 基于ANSYS的电流分布的有限元法模拟理论基础2.2.2 ANSYS模拟SC-SOFC电流分布的步骤和模型2.2.3 SC-SOFC电势和电流分布数值模拟的结果和分析2.3 电解质支撑凹槽SC-SOFC研究2.3.1 电解质支撑凹槽和同面SC-SOFC的制备和测试2.3.2 电解质支撑型凹槽和同面SC-SOFC性能对比2.4 电解质支撑直角面SC-SOFC2.4.1 前言2.4.2 电解质支撑直角面和同面SC-SOFC制备2.4.3 电解质支撑直角面和同面SC-SOFC性能比较2.5 直角面SC-SOFC和电池组的气流分布数值模拟2.5.1 流场分布模型的建立2.5.2 流场分布模型的结果和分析2.6 本章小节第3章 SC-SOFC运行中振荡现象及其阳极氧化-还原循环机理分析3.1 前言3.2 SC-SOFC中的各种常见的振荡现象3.3 SC-SOFC性能和阳极区域电阻原位测试方法3.3.1 SC-SOFC性能和阳极区域电阻原位测试实验装置3.3.2 原位测试小阴极电池的制备3.4 SC-SOFC振荡机理分析3.4.1 SC-SOFC性能和Rs振荡原位测试研究3.4.2 Ni/YSZ氧化-还原机理分析4/O2比例（M）和放电电流密度（J）对氧化-还原影响'>3.5 CH4/O2比例（M）和放电电流密度（J）对氧化-还原影响3.5.1 SC-SOFC在不同M和J下的振荡行为3.5.2 SC-SOFC在不同M和J下的性能衰退3.5.3 M对Ni/YSZ氧化-还原影响的机理分析3.5.4 J对Ni/YSZ氧化-还原影响的机理分析3.6 阳极厚度对Ni/YSZ氧化-还原的影响3.6.1 电解质支撑厚阳极和薄阳极SC-SOFC的制备3.6.2 阳极厚度对SC-SOFC振荡和稳定性影响3.6.3 间歇性供氧对Ni/YSZ氧化-还原的影响3.7 Ni/YSZ氧化-还原循环导致电池性能衰退的机理分析3.7.1 Ni/YSZ阳极氧化-还原中Ni的氧化和微结构改变3.7.2 Ni/YSZ阳极氧化-还原的区域选择性3.7.3 Ni/YSZ阳极被氧化导致的物理结构破坏3.8 本章小结第4章 Ba-Ni-YSZ新型阳极的物相分析及在SC-SOFC中的抗碳沉积性能研究4.1 前言3-NiO-YSZ体系阳极制备与物相分析'>4.2 BaCO3-NiO-YSZ体系阳极制备与物相分析3-NiO-YSZ样品制备和测试实验'>4.2.1 四种BaCO3-NiO-YSZ样品制备和测试实验3-NiO-YSZ体系的物相分析'>4.2.2 BaCO3-NiO-YSZ体系的物相分析3-NiO-YSZ的热重研究'>4.2.3 BaCO3-NiO-YSZ的热重研究3-NiO-YSZ体系阳极在H2条件下的稳定性'>4.2.4 BaCO3-NiO-YSZ体系阳极在H2条件下的稳定性3-NiO-YSZ 体系阳极的微观结构'>4.2.5 BaCO3-NiO-YSZ 体系阳极的微观结构4.3 BZY-Ni-YSZ 耐硫抗碳沉积研究4.3.1 BZY-Ni-YSZ 的耐硫性研究3H8气氛下的抗积碳性能研究'>4.3.2 BZY-Ni-YSZ在C3H8气氛下的抗积碳性能研究4.3.3 BZY-Ni-YSZ在单室气氛中的抗碳沉积性能研究4.4 使用Ba-Ni-YSZ 阳极的燃料电池性能4.4.1 含Ba-Ni-YSZ阳极的电池制备4.4.2 含BZY-Ni-YSZ阳极电池在双室混合气氛中的性能4.4.3 使用Ba-Ni-YSZ阳极的SC-SOFC性能4.5 本章小结1-xInxO3-δ及在单室结构中的应用'>第5章 质子导体新型单相阴极BaPr1-xInxO3-δ及在单室结构中的应用5.1 前言5.2 初始粉体的制备和表征0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ（BZCYYb）粉体合成'>5.2.1 BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ（BZCYYb）粉体合成1-xInxO3-δ（x=0.1,0.2,0.3）粉体合成'>5.2.2 BaPr1-xInxO3-δ（x=0.1,0.2,0.3）粉体合成5.3 BPI稳定性和电导率研究5.3.1 BPI在空气条件中的稳定性2O和CO2气氛下的稳定性'>5.3.2 BPI2 和BPI3 在H2O和CO2气氛下的稳定性5.3.3 BPI2 和BPI3 的电导率5.4 使用BPI阴极的H-SOFC在SC-SOFC应用性能研究5.4.1 单电池的制备5.4.2 BPI2 阴极在单气室中的性能5.4.3 BPI2 和BZCYYb在SC-SOFC中应用的相关机理分析5.5 本章小节结论参考文献攻读学位期间发表的学术论文及其他成果致谢个人简历
相关论文文献
标签：单室固体氧化物燃料电池论文; 凹槽电池论文;
