中、低温天然气固体氧化物燃料电池中电解质及Ni/SDC阳极性能研究

摘要

燃料电池是一种高效低污染的电化学装置，具有环境友好、能量转换率高和燃料适应广泛等优点。固体氧化物燃料电池(SOFC)作为第三代燃料电池，其所有的部件是固态的，具有无漏液、启动快寿命长等特点，被认为是21世纪的绿色能源。 传统的以氢气为燃料的高温SOFC存在以下问题： 1，高温运行，对于各个组成部件的要求苛刻，难与密封，成本高。 2，YSZ电解质在中、低温下离子导电率低，不适在中、低温下进行操作。 3，氢气储存和运输比较困难，相对于天然气、生物制气等昂贵，运行成本高。 最近，为了解决上述问题中、低温直接碳氢固体氧化物燃料电池的研究被提上了议程。本文研究了以NiO/SDC为阳极，掺杂的Ce<,0.8>M<,0.2>O<,1.9>(M=Y、Gd、Sm、La)及掺杂的BaCe<,0.8>M<,0.2>O<,2.9>(M=Y、Gd、Sm、La)为电解质的中、低温天然气固体氧化物燃料电池的性能。研究结果表明：50wt％：NiO/SDC阳极材料具有与掺杂Ce<,0.8>M<,0.2>O<,1.9>(M=Y、Gd、Sm、La)电解质及掺杂的BaCe<,0.8>M<,0.2>O<,2.9>(M=Y、Gd、Sm、La)电解质相近的热膨胀系数，能与它们较好的烧结；掺杂Ce<,0.8>M<,0.2>O<,1.9>(M=Y、Gd、Sm、La)电解质构成的电池在以天然气为燃料测试时，各电池具有较好的电性能，随着温度的升高各电池的开路电压逐渐降低、电流逐渐升高、电池的功率密度逐渐增大，在600℃各电池的最大功率密度分别为54．93mW/cm<'2>、59．50 mW/cm<'2>、45．33 mW/cm<'2>、37．75 mW/cm<'2>；以掺杂的BaCe<,0.8>M<,0.2>O<,2.9>(M=Y、Gd、Sm、La)电解质的单层阳极支撑的电池中，以BaCe<,0.8>M<,0.2>O<,2.9>为电解质的电池具有最优的电化学性能，在600℃电池的最大电流密度238．93mA/cm<'2>，最大功率密度49．41mW/cm<'2>；在相同温度下，以天然气为燃料，在测试范围内共压．共烧结法制备的双层(30wt％-60wt％)Ni-SDC/BCY2/LSCF-GDC电池比单层(50wt％)Ni-SDC/BCY/LSCF-GDC电池具有更优的电性能。它们的最大功率密度分别为34 mW/cm<'2>和55 mW/cm<'2>；电池在放电过程中，天然气中一些小分子饱和烃转化为乙烯气体。 通过改进和完善电池的制作工艺和密封性，有望进一步提高电池的输出特性，获得更高的电池性能指标。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

第二章纳米粉体的制备与表征

2.1实验仪器与设备

2.2粉体的制备

2.2.1溶胶-凝胶法的基本原理

2.2.2 Ce0.8M0.2O1.9(M=Y、Gd、Sm、La)电解质粉末的制备

2.2.3 BaCe0.8M0.2O2.9(M=Y、Gd、Sm、La)电解质粉末的制备

2.3粉体表征

2.3.1 Ce0.8M0.2O1.9(M=Y、Gd、Sm、La)粉末的物相分析

2.3.2 BaCe0.8M0.2O2.9(M=Y、Gd、Sm、La)粉末的物相分析

2.4电解质的烧结

2.4.1电解质实际密度的测定

2.5 小结：

参考文献

第三章：掺杂CeO2电解质在Ni/SDC阳极支撑的中、低温天然气固体氧化物燃料电池中的应用

3.1实验

3.1.1试剂和仪器

3.1.2阳极支撑陶瓷片的制备

3.1.3样品表征

3.1.4单电池的制备与性能测试

3.2结果与讨论

3.2.1单电池的微观结构

3.2.2单电池的性能

3.2.3各电池电导率的计算

3.3 小结

参考文献

第四章：掺杂BaCeO3电解质在Ni/SDC阳极支撑的中、低温天然气固体氧化物燃料电池中的应用

4.1实验

4.1.1试剂和仪器

4.1.2实验过程

4.1.3单电池的制备

4.2结果与讨论

4.2.1单电池的微观结构

4.2.2单电池的性能测试

4.2.3各电池电导率的计算

4.2.4天然气及尾气的主要成分分析

4.3小结

参考文献

第五章：结论与展望

致谢