单气室固体氧化物燃料电池组的研究

摘要

单气室固体氧化物燃料电池(SC-SOFC)作为一种新结构的燃料电池,仅有一个气室,使用燃料-氧气混合气体运行,而无需将氧气与燃料隔离开来。SC-SOFC是利用阳极和阴极对工作气体的选择催化性的差异产生电压来工作的。近些年,单气室固体氧化物燃料电池发展十分迅速,而且由于其无需密封等优点,SC-SOFC在电池组方面的研究已逐渐成为燃料电池研究的一个新热点。本文首先对单气室气氛下的电极性能及电极性能的优化等方面进行了研究。在对使用Sm0.2Ce0.8(NO3)x溶液浸渍LSM阴极与未浸渍阴极的阻抗对比发现单气室气氛下,通过浸渍方法可以有效降低阴极电阻,从而提升电池的性能。在对两电极与四电极测试方法的对比中可看到四电极法测试可以有效扣除引线电阻的影响,从而准确地测试出电池性能。对于阴极来说,其在不同温度下随着不同的气体成分的变化规律并不完全相同,而且在750℃时,出现了低频半圆决定的部分在成为反应速率的控制步骤的现象。在对电解质支撑型的对称阳极电池的测试发现,由于阳极层较薄而导致温度效应不明显,而且气体扩散电阻也不显著。通过对不同流速下电池组性能的比较,流速为400sccm时电池堆性能达到了较高水平,因此,将此流速值作为基本流速参数使用。对阳极对阴极型结构进行了研究,面对狭窄气道的电极很容易受到影响,从而会导致该电极阻抗变大,进而影响到电池的开路电压及输出功率。对于电池组性能的研究,首先从两电池电池组入手。对于两电池电池组,较好的CH4/O2气体比例是1～1.5,但由于较小比例时出现了一些浓差极化,再加上对燃料利用率的考虑,最优比例应在1.5左右。而电池组在设定炉温为700℃性能最好,且气体比例为1时,功率达到371mW,相应的最大质量比功率密度达到了552mW/g。与两电池电池组不同,三电池电池组的最优气体比例出现在1:1时,而且电池组的性能是随着温度的增加在提高,在800℃时,最大功率输出为282mW,其最大质量比功率密度达到了282mW/g。而在对七电池串联的电池组的初步研究中发现,通过简单串联可有效得到想要的开路电压值,但此多电池电池组也暴露出流场设计的一些问题,暗示着在多电池电池组系统中,流场的优化设计将是一个十分关键的问题。另外,在对各电池组之间的对比中,也发现了一些相同或是相似的规律,比如:OCV随气体比例的变化等。通过对电池组间的一些纵向对比,可以帮助推断出任意规模电池组系统可能存在的一些规律和问题,有利于电池组系统的实用化。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 固体氧化物燃料电池的基本原理及特点

1.2 SOFC的材料及结构

1.3 单气室固体氧化物燃料电池

1.3.1 SC-SOFC的现状及特点

1.3.2 SC-SOFC的原理

1.3.3 SC-SOFC电池组的研究现状

1.4 论文拟研究及解决的问题

第2章 燃料电池的制备与测试

2.1 实验材料

2.2 实验仪器

2.3 电池制备

2.3.1 对称电极电池的制备

2.3.2 阳极支撑型电池制备

2.4 单气室固体氧化物燃料电池组的制备

2.5 单气室固体氧化物燃料电池测试系统

2.6 本章小结

第3章 SC-SOFC电极的研究

3.1 前言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.3.1 两电极法与四电极法比较

3.3.2 浸渍与未浸渍阴极的性能比较

3.3.3 阳极性能的初步研究

3.4 本章小结

第4章 SC-SOFC电池组结构研究

4.1 概述

4.2 实验部分

4.3 气体流速的选择

4.4 阳极对阴极型电池组结构讨论

4.5 本章小结

第5章 SC-SOFC电池组性能研究

5.1 概述

5.2 实验

5.3 两电池电池组性能研究

5.3.1 不同气体比例的影响

5.3.2 炉温对电池组的影响

5.4 三电池电池组性能研究

5.4.1 气体比例与温度影响的研究

5.4.2 单电池与电池组关系的研究

5.5 多电池电池组的初步研究

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢