基于X射线CT技术研究Ni-YSZ阳极内部结构和气体扩散反应

摘要

伴随经济社会的发展，传统化石能源的紧缺以及使用中产生的污染使得如何清洁高效地利用能源显得十分有必要。固体氧化物燃料电池是一种高效低污染的能量转换装置。由于电池运行温度较高，电极微结构在电池运行期间发生改变。基于硬X射线纳米CT技术，我们可以无损地获取Ni-YSZ阳极的精细三维结构，并发展了一些可取的方法对电池结构的一些参数定量分析。在精细结构的基础上，采用格子Boltzmann方法对阳极内气体扩散和反应进行了模拟，分析影响电池性能的一些关键因素，帮助我们理解电池长期运行后性能损失的机理，为优化电极材料制备提供建议。本文主要进行了以下工作:
　　1.调研硬X射线纳米CT技术的基本原理，了解其他成像方法，X射线成像的优势。利用X射线CT技术得到Ni-YSZ复合阳极样品投影数据，通过三维重构软件Xradia和三维渲染软件Amira得到样品的三维结构以及内部Ni、YSZ和孔隙各相的三维分布。介绍格子Boltzmann方法的基本原理，在演化方程中添加源项同时将测量的有效三相界面作的真实分布为反应位点添加到模型中。
　　2.研究了Ni-YSZ复合阳极经过20小时2.5 A·cm-2运行电流密度测试与未经运行测试的三维微结构变化。基于X射线纳米CT技术重构了未测试和测试后的阳极样品的微结构，对比了两者的断层投影图像以及用Amira软件对两组样品结构进行渲染图。采用“特征射线”的方法分析了未测试和测试后Ni颗粒尺寸大小分布;通过划分体素的方法，统计计算了两组样品中各相体积分数、连通性以及三相界面密度等阳极结构的关键参数。可发现测试后，小尺寸Ni颗粒的移动聚集导致结构的变化，如连通性下降、三相界面密度下降等，而长期运行的固体氧化物燃料电池内，三相界面密度的下降是导致性能损失的一个主要原因。
　　3.用热循环来模仿电池运行的情况，基于由硬X射线成像方法重构得到的不同循环次数电极的三维结构，利用格子Boltzmann方法模拟不同次数热循环后阳极内气体扩散反应的情况，得到气体消耗与产生的三维分布。观察到有效三相界面区域内产物的聚集和燃料的消耗，这种局部的差异会阻碍继续进行的气体扩散和反应的进行。同时发现有效三相界面密度大小是表征电池性能一个重要参数，但是其分布以及Ni-YSZ阳极的内部结构（比如孔隙率）也比较重要。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 固体氧化物燃料电池

1．2．1 固体氧化物燃料电池发展历史

1．2．2 存在的优势和不足

1．2．3 应用前景

1．3 固体氧化物燃料电池的机理

1．3．1 电化学机理

1．3．2 结构材料

1．3．3 输出功率影响因素

1．4 气体输运过程模拟

1．5 本文主要工作和内容安排

参考文献

第二章 样品三维结构重构和模拟分析

2．1 样品结构成像手段

2．2 X射线成像系统

2．3 格子Boltzmann方法

2．4 本章总结

参考文献

第三章 研究电池测试后Ni-YSZ阳极三维结构变化

3．1 样品制备和阳极测试

3．1．1 阳极制备过程

3．1．2 电极测试过程

3．2 研究样品测试前后三维结构的变化

3．2．1 样品图像分析

3．2．2 粒径分布和样品的计算参数

3．3 本章总结

参考文献

第四章 模拟经热循环Ni-YSZ阳极内气体扩散反应

4．1 Ni-YSZ复合阳极微结构

4．1．1 经热循环阳极样品的处理制备

4．1．2 Ni-YSZ复合阳极微结构参数

4．2 模拟阳极内气体扩散反应

4．2．1 含反应过程气体输运

4．2．2 模拟经不同热循环阳极样品内气体扩散

4．3 本章总结

参考文献

第五章 总结与展望

致谢

在读期间发表的学术论文和取得的研究成果