稀土掺杂LaCrO3阳极催化剂对高温硫-氧SOFC性能的影响

摘要

硫-氧 SOFC是以硫磺蒸气代替氢气为燃料,以三氧化硫气体为氧化产物的一类新型燃料电池。实现硫-氧 SOFC的关键技术是硫磺氧化成三氧化硫的阳极电催化剂的研制。　　本文分别制备了多种稀土掺杂 LaCrO3粉体作为阳极催化剂,以Na2SO4(25wt％)-YSZ为复合电解质,组装成高温 SOFC单电池。分别以硫蒸气和SO2为燃料气体,测试了开路电压随温度的变化关系,确定了单电池采用不同阳极催化剂时的最佳工作温度。在单电池的最佳工作温度状态下接入可变电阻,组装成电路回路,分别测试外接电阻变化时电路的输出电压和输出电流,并对测试结果进行分析。　　(1)通过溶胶-凝胶法制备了稀土掺杂 LaCrO3的粉体 La1-xPrxCrO3(x=0.1、0.2、0.3、1.0),La1-xNdxCrO3(x=0.1、0.2、0.3、1.0),La1-xYxCrO3(x=0.1、0.2、0.3)和La0.8M0.2CrO3(M=Dy、Er、Eu、Gd、Lu)共16种作为硫-氧 SOFC阳极催化剂,并对所制备粉体进行了XRD和SEM分析。结果表明均成功得到了颗粒均匀的稀土掺杂 LaCrO3超细粉体材料。　　(2)使用干压法制备 Na2SO4(25wt%)-YSZ高温复合电解质基片,基片两面分别涂覆稀土掺杂铬酸镧为电池阳极催化剂、La0.7Sr0.3MnO3为电池阴极材料,经烧结工艺后制成单电池三合一组件,再以刚玉管为支撑体,组装出硫-氧 SOFC发电系统。　　(3)分别以S和SO2为燃料,La1-xPrxCrO3(x=0.1、0.2、0.3、1.0)为阳极催化剂,测试其开路电压从大到小依次为:La0.8Pr0.2CrO3>La0.9Pr0.1CrO3>La0.7Pr0.3CrO3> PrCrO3。以S为燃料时,La0.8Pr0.2CrO3在最佳工作温度780℃达到最大开路电压为842 mV。当外接电阻值为0时,短路电流密度为151.38 mA·cm-2;当外接电阻值为90Ω时,单电池的输出功率密度最大为39.01 mW·cm-2,此时电流密度为93.12 mA·cm-2。以SO2为燃料时,La0.8Pr0.2CrO3在690℃达到最大开路电压为320 mV。当外接电阻值为0时,短路电流密度为38.01 mA·cm-2;当外接电阻值为100Ω时,单电池的输出功率密度最大为1.34 mW·cm-2,此时电流密度为16.23 mA·cm-2。　　(4)分别以S和SO2为燃料,La1-xNdxCrO3(x=0.1、0.2、0.3、1.0)为阳极催化剂,测试其开路电压从大到小依次为: La0.8Nd0.2CrO3>La0.9Nd0.1CrO3>La0.7Nd0.3CrO3>NdCrO3。以S为燃料时,La0.8Nd0.2CrO3在770℃达到最大开路电压为826 mV。当外接电阻为0时,短路电流密度为122.01 mA·cm-2;当外接电阻值为100Ω时,单电池的输出功率密度最大为32.56 mW·cm-2,此时电流密度为80.78 mA·cm-2。以SO2为燃料时,La0.8Nd0.2CrO3在700℃达到最大开路电压为272 mV。当外接电阻为0时,短路电流密度为16.89 mA·cm-2;当外接电阻值为300Ω时,单电池的输出功率密度最大为0.78 mW·cm-2,此时电流密度为7.23 mA·cm-2。　　(5)分别以S和SO2为燃料,La1-xYxCrO3(x=0.1、0.2、0.3)为阳极催化剂,测试其开路电压从大到小依次为:La0.8Y0.2CrO3>La0.9Y0.1CrO3>La0.7Y0.3CrO3。以S为燃料时,La0.8Y0.2CrO3在770℃达到最大开路电压为715 mV。当外接电阻为0时,短路电流密度为102.01 mA·cm-2;当外接电阻值为90Ω时,单电池的输出功率密度最大为25.84 mW·cm-2,此时电流密度为75.89 mA·cm-2。以SO2为燃料时,La0.8Y0.2CrO3在690℃达到最大开路电压为256 mV。当外接电阻为0时,短路电流密度为26.89 mA·cm-2;当外接电阻值为70Ω时,单电池的输出功率密度最大为0.46 mW·cm-2,此时电流密度为11.43 mA·cm-2。　　(6)以稀土掺杂 LaCrO3粉体为硫-氧 SOFC阳极催化剂,无论以S或 SO2为燃料, La0.8Pr0.2CrO3的催化效果都是最好的,分析了La0.8Pr0.2CrO3具有最佳催化效果的原因,讨论了影响硫-氧 SOFC阳极催化性能的因素。

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引 言

第一章 文献综述

1.1 SOFC 研究概况

1.2 SOFC 工作原理

1.3 SOFC 阳极材料

1.4 LaCrO3系列阳极材料

1.5 稀土材料

1.6 本课题研究的目的与意义

第二章 阳极粉体的制备与表征

2.1 稀土掺杂铬酸镧的设计

2.2 实验药品与仪器设备

2.3 稀土掺杂铬酸镧粉体的制备

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第三章 硫-氧 SOFC 单电池发电系统的制作

3.1 实验方案

3.2 实验步骤

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 稀土掺杂 LaCrO3阳极催化剂电性能的研究

4.1 理论电压值的计算

4.2 La1-xPrxCrO3(x=0.1、0.2、0.3、1.0)阳极催化剂的电性能

4.3 La1-xNdxCrO3(x=0.1、0.2、0.3、1.0)阳极催化剂的电性能

4.4 La1-xYxCrO3(x=0.1、0.2、0.3)阳极催化剂的电性能

4.5 La0.8M0.2CrO3(M= Dy、Er、Eu、Gd、Lu) 阳极催化剂电性能的研究

4.6 本章小结

结 论

参考文献

在学研究成果

致谢