低温固体氧化物燃料电池合金基阳极材料的制备与电化学性能表征

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1、中国科学技术大学硕士论文摘要固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型的发电装置，具有能量转换效率高、环境污染小、燃料的适应性强、造价相对较低等优点，因此得到了世界范围内的广泛关注和大力研究开发。它作为～种新兴的能源技术，在未来数年内有可能实现实用化、产业化，满足世界快速增长的电力需求，改善能源结构，从而对全球环境产生积极的影响。传统的SOFC在高温(1000oC左右)下运行带来了诸多材料和技术方面的问题，因此近年来研究主要集中在发展中、低温(500oC．800oC)下工作的SOFC。但降低电池的操作温度会大大

2、增加电极(阳极和阴极)的极化，并且当采用碳氢化合物为燃料时，阳极极化和积碳问题更是亟待解决。鉴于此，本论文以低温SOFC阳极材料为研究对象，主要致力于开发合金基阳极材料，以实现高性能、无碳沉积(以碳氢化合物为燃料)的低温SOFC。第一章概述了SOFC的工作原理、发展趋势及关键材料，特别分析了阳极材料体系中的热点研究问题，提出了本论文研究的目标和主要内容。关键材料的制备和电池制作方法是SOFC技术的基础，对电极、电解质以及电池进行精确和有效的评价可以帮助我们选择合适的材料和综合评估SOFC的性能，因此第二章就本

3、论文选择的制备和评价方法进行详细的介绍。制备粉体方法是甘氨酸一硝酸盐法，电池制作方法为共压一共烧一丝网印刷工艺，表征方法有交流阻抗谱技术、X射线衍射(XRD)技术及扫描电子显微镜(SEM)等。针对低温操作时SOFC阳极极化增大的问题，在论文第三章中首次尝试采用Fe。Coo5一。Nio5一SDC(Ceo8Smo20l9)作低温SOFC的阳极。实验利用甘氨酸一硝酸盐法制备了Fe、Coo5．xN沁O。(x=0．1，0．2，0．25，0．3，O．4)粉体，采用共压一共烧一丝网印刷工艺制作了以GDC(Ceo9GdoiO

4、】95)为电解质，SSC(Smo5Sro3)．为阴极的单电池，并测试了单电池在。到o．sCoOSDC450C600C下以氢气为燃料时的阻抗和V．I曲线。测试结果表明Feo25Coo．2sNio5一SDC，即Fe、Co、Ni比例为1：1：2时，阳极性能最佳，Feo25Coo．25Nio．5-SDC支撑的电池在600。C下最大输出功率达750mWcm～；且当Fe、Co、Ni组分比例越接近1：1：2时，阳极性能越好。通过与Ni．SDC阳极的比较发现Feo25Coo25Nio5一SDC有更好的阳极性能，600oC下F

5、eo25Coo25N沁一SDC比Ni—SDC支撑电池的中国科学技术大学硕士论文摘要最大输出功率大2lOmWcm～：其极化电阻的表观活化能分别为163．4KJtoolo和149．3KJmol～。因此Feo25Coo25Nio5．SDC作为低温SOFC的阳极很有前景。以生物质气为SOFC燃料发电，能够提高能源转换效率，降低污染物排放量，但采用生物质气为燃料时，阳极的极化和积碳问题就显得尤为突出。论文第四章创新性的针对在热力学上处在积碳区域但积碳不严重的生物质气组分，用部分Cu替代Ni形成Ni．Cu合金基阳极Nil

6、．xCu。一SDC(X=0．05，0．2，0．3)，减少Ni基阳极对碳裂解反应的催化活性，使以这类组分的生物质气为燃料时，阳极不积碳，并在低温下工作时有高的输出功率。生物质气的组成为：CO(23．5％)，C02(14．3％)，H2(15．7％)，CH4(6．2％)，N2(40．3％)。Nil．。Cu。合金的制备采用在位还原甘氨酸一硝酸盐法制备的Nil-。Cu。O，，电池制备采用共压一共烧一丝网印刷工艺。电化学测试结果表明Cu的加入对传统Ni基阳极稳定性的改善非常显著，如Ni．SDC支撑的单电池性能衰减很快，仅

7、运行20分钟后输出功率就降到初始值(200mWcm之)的50％，而以Nio8Cuo2．SDC为阳极时，电池运行10小时后输出功率可以保持初始值(250mWcm’2)的90％，既获得了较满意的输出功率也在一定程度上抑制了阳极积碳。Ni．Cu合金基阳极在发展以生物质气为燃料的SOFC较有应用前景。第五章结束语中总结了本论文工作的主要结论，下一步可继续的工作方向及论文的创新之处。中国科学技术大学硕士论文AbstractSolidoxidefuelcelsl(SOFCs)arecurrentlyattractingt

8、remendousinterestsbecauseoftheirhighefficiency，littlepollution，lowcostoverotherfuelcelltypes，andflexibilityinthechoiceoffuels．Asanewtechnique，SOFCswillfulfilltheincreasingneedofelectricity，improvethecu