基于稳定化BaCeO3基质子电解质固体燃料电池的制备及其脱硝性能研究

摘要

为构建质子型固体燃料电池，本文以BaCeO3基电解质为研究对象，结合现代多种分析方法，意在选择出较优的电解质材料，并研究在以NO为氧化剂、含氢气体为燃料时电池的电性能。
　　采用溶胶凝胶法制备了电解质BaCe0.8-xZrxY0.2O3-δ，即BCZYx(x=0，0.2，0.4，0.6，0.8)。运用X射线衍射(XRD）、热重分析(TG)、电导率测试和浓差电池测试等手段对电解质材料的结构、稳定性和电导性能进行表征。结果显示BCZYx系列材料均具有典型的钙钛矿结构。对于Zr、Ce双掺杂的电解质，随着Zr的掺杂比的增大，电导率逐渐减小，但稳定性逐渐增强。其中，BaCe0.4Zr0.4Y0.2O3-δ在化学稳定性和电导率方面较为满足电解质材料的需求。
　　为解决BCZYx系列材料在电导率和烧结性能方面的不足，采用溶胶凝胶法制备了基于BCZY0.4不同Cu掺杂量的BaCe0.4Zr0.4Y0.2-xCuxO3-δ，即BCZYCx(x=0，0.01，0.03，0.05)。通过XRD、SEM和电导率等测试手段对其微观结构和电性能进行表征。煅烧后得到的材料均具有与BCZYx相似的钙钛矿晶型，晶粒大小和化学稳定性都随着Cu微量掺杂呈增大趋势，当掺杂3％ Cu进B位时，电导率达最大值，当掺杂量增加到5％，电导率有一定的降低，但呈现出更好相对致密度和粒径大小。经综合分析BCZYC0.05可作为NOx-SOFC的理想电解质材料。
　　采用溶胶凝胶法制备了经典的阴极材料La0.8Sr0.2MnO3-δ。利用XRD研究了其结构和与电解质材料的相容性。结果表明其具有典型的钙钛矿结构，与电解质在高温下无相互作用或反应。因此该材料适合作为本课题NOx-SOFC的阴极材料。
　　以Ni-BCZYC0.05为阳极催化剂，BCZYC0.05为电解质，LSM为阴极，组装成阳极支撑型的SOFC电池Ni-BCZYC0.05/BCZYC0.05/LSM。900℃下，当阴极气氛为5000 ppmNO的氮气时，最大功率密度为0.32 mW·cm-2，将NO浓度提升至10000ppm时，电功率密度上升至0.38 mW·cm-2。说明了NO确实参与了电池的催化反应，有一定的脱硝作用，但由于电池的阻抗较大，电性能有待进一步提高。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 NOx的来源、危害与控制措施

1．2．1 NOx的来源

1．2．2 NOx的危害

1．2．3 控制措施

1．3 固体燃料电池

1．3．1 固体燃料电池的分类及原理

1．3．2 阳极材料

1．3．3 电解质材料

1．3．4 阴极材料

1．3．5 连接材料

1．4 NOx-SOFC的研究进展

1．5 电池材料与电极薄膜制备方法概述

1．5．1 固相法

1．5．2 溶胶凝胶法

1．5．3 共沉淀法

1．5．4 络合法

1．5．5 原位反应法法

1．6 本课题研究目的和内容

2 BCZY电解质的制备及性能研究

2．1 实验

2．1．1 实验药品及仪器

2．1．2 BaCe0．8-xZrxY0．2O3-δ的制备

2．1．3 BaCe0．8-xZrxY0．2O3-δ的物相表征方法

2．1．4 化学稳定性测试

2．1．5 电化学测试

2．2 结果与讨论

2．2．1 BaCe0．8-xZrxY0．2O3-δ粉末X衍射分析

2．2．2 BaCe0．8-xZrxY0．2O3-δ粉末化学稳定性分析

2．2．3 BaCe0．8-xZrxY0．2O3-δ电导性能

2．2．4 氢浓差电池

2．3 本章小结

3 Cu掺杂的BCZY电解质材料的制备及性能研究

3．1 实验

3．1．1 实验药品及仪器

3．1．2 BCZYCx的制备

3．1．3 BCZYCx的性能表征方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 BCZYCx物相分析

3．2．2 BCZYCx稳定性分析

3．2．3 电导率分析

3．2．4 氢浓差电池

3．3 本章小结

4 基于BCZYC0．05固体燃料电池测试体系的构建

4．1 LSM阴极材料的制备及性能研究

4．1．1 LSM的制备与表征

4．1．2 LSM的电导率测试

4．2 Ni-BCZYC0．05复合阳极材料的选择及制备

4．3 电池片的制备及表征

4．3．1 Ni-BCZYC0．05／BCZYC0．05／LSM电池片的制备

4．3．1 Ni-BCZYC0．05／BCZYC0．05／LSM电池片的SEM表征

4．4 电池测试装置

4．5 电池测试磨具的设计

4．6 本章小结

5 Ni-BCZYC0．05／BCZYC0．05／LSM电池性能测试

5．1 空气气氛下的电池性能

5．1．1 热力学分析

5．1．2 电性能分析

5．2 NO气氛下的电池性能

5．2．1 热力学分析

5．2．2 电性能分析

5．2．3 交流阻抗测试

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

附录