过渡金属氧化物-SDC基ILTSOFC阳极材料的制备及性能研究

摘要

传统的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide fuel cells,SOFCs),工作温度通常在800～1000℃之间,在提高电解质离子电导率的同时,却导致了电池关键材料的选择、制备上的困难以及成本的居高不下.另外,在直接碳氢燃料SOFC中,燃料不经过附加重整器的重整而直接使用,可使系统简化并为其用作移动式电源带来了希望；但使用碳氢燃料时,操作过程中有炭沉积在阳极上,导致电池性能下降.因此,开发中低温区(400～750℃)的新型电解质以及与之相匹配的电极材料成为燃料电池发展的关键问题. 本论文围绕中低温条件下的新型阳极材料开展了以下一些研究工作: 1、采用硝酸盐/柠檬酸凝胶燃烧法制备CuO、NiO、CoO及氧化钐掺杂的氧化铈(SDC)等氧化物材料,考察了柠檬酸用量、凝胶燃烧温度等对氧化物材料的粒度、催化活性的影响,并选定柠檬酸与硝酸盐的摩尔比(c/n)为1～2、凝胶的燃烧温度为480～600℃,所得氧化物的粒度在微米级、具备较高的催化活性； 2、结合机械研磨法制备各种复合材料,并采用共压法制备成单电池,通过考察电池的输出功率密度来直接评价材料的性能,最终选择CuO、NiO、CoO-SDC复合氧化物(MO-SDC)作为阳极材料并对其制备工艺进行了优化； 3、在MO-SDC材料中添加具备良好电子电导性和高温抗氧化性能的炭材料(活性炭、炭黑、中间相炭微球或天然石墨等)来改善MO-SDC的电导性能,达到了良好的效果,发现:添加7 vol.﹪天然石墨的MO-SDC阳极材料,使用H<,2>、甲醇作燃料时分别取得了0.265W/cm<'2>、0.25 W/cm<'2>的功率密度； 4、考察了甲醇作燃料时电池阳极侧的炭沉积情况以及阳极层的稳定性.在材料表征中,采用x射线衍射技术(XRD)来分析材料的晶相并通过电子扫描显微镜(SEM)观察材料的形貌,以便选择合适的初始材料制备工艺以及后续煅烧、烧结温度.

目录

文摘

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前言

第一章文献综述

1.1燃料电池的分类和特点

1.2固体氧化物燃料电池的工作原理及电化学基础

1.3固体氧化物燃料电池的关键材料

1.3.1阴极材料

1.3.2电解质材料

1.3.3阳极材料

1.3.4连接体材料

1.4固体氧化物燃料电池国内外研究动态

1.4.1国内在固体氧化物燃料电池方面的研究近况

1.4.2国外对固体氧化物燃料电池的研究状况

1.5固体氧化物燃料电池粉体材料的制备方法

1.6固体氧化物燃料电池中低温化研究

1.7直接碳氢燃料固体氧化物燃料电池阳极材料的研究进展

1.8本论文的研究内容和意义

第二章实验部分

2.1实验原料、试剂和设备

2.2实验方法

2.3 SOFC电解质材料的制备

2.3.1氧化钐掺杂的氧化铈SDC的制备

2.3.2 CSC电解质的制备

2.4阳极材料的制备

2.4.1固体氧化物燃料电池对阳极材料的要求

2.4.2通常使用的阳极材料及制备方法

2.4.3本实验的阳极材料及制备方法

2.5材料的表征方法和电池测试手段

2.5.1材料的表征方法

2.5.2单电池的构造方法

2.5.3电池性能的评价

第三章阳极材料的制备及性能研究

3.1过渡金属氧化物NiO、CuO、CoO和SDC粉体材料的制备

3.1.1柠檬酸用量对氧化物粉体粒度的影响

3.1.2凝胶燃烧温度的选择

3.2 MO-CSC阳极材料的性能及活性炭在其初始烧结过程中的作用

3.3 MO-SDC阳极材料的性能研究

3.3.1 MO含量对材料性能的影响

3.3.2活性炭在MO-SDC材料热处理中的作用

3.4炭材料对AC-MO-SDC阳极材料电导性能的改善

3.4.1中间相炭微球(MCMB)在阳极材料中的应用

3.4.2导电炭黑在阳极材料中的应用

3.4.3天然石墨在阳极材料中的应用

3.5甲醇作燃料时MO-SDC基阳极材料的性能研究

3.5.1碳氢化合物在SOFC阳极侧的催化氧化机理

3.5.2甲醇作燃料时电池的性能

第四章结论

参考文献

发表论文及参加科研情况

附录

致谢