天然气中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFCs）阳极材料钴、铒掺杂的氧化铈的制备与性能研究

【摘要】： 本论文以发展碳氢化合物作为燃料的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)为背景,主要致力于对NiO-稀土氧化物、过渡金属氧化物掺杂的氧化铈复合材料作为阳极材料以及所制备的电池性能的研究。为了得到性能较好的天然气IT-SOFCs做了以下工作: 本论文采用溶胶-凝胶法合成了新型IT-SOFCs阳极材料Ce_(1–x)Co_xO_y(x=0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30)(CDC)、Ce_(0.8)M_(0.2)O_(2-δ)(M=Co、Fe、Mn)(20CDC、20FDC、20MDC)、Ce_(1–x)Er_xO_y(x=0.00, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30)(EDC)。并采用共压-共烧结法分别制备了以NiO-CDC、NiO-20FDC、NiO-20MDC、NiO-EDC复合阳极为支撑,以Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2-δ)(GDC)为电解质,以La_(0.8)Sr_(0.2)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(LSCF)-GDC为复合阴极的单电池。利用XRD和SEM等方法分别对阳极材料进行晶相结构、微观形貌和化学相容性等分析。在400-700℃范围内以加湿天然气(3%H2O)为燃料气,氧气为氧化气测试了电池的电化学性能。结果表明:所制备的Ce_(1–x)Co_xO_y(x≤0.20)、Ce_(1–x)Er_xO_y(x≤0.15)、20FDC、20MDC粉体均为萤石型结构;Co、Er在CeO2中的固溶度分别在20mol%和15mol%以下。Ni-Ce_(0.80)Co_(0.20)O_y (C20C80)、Ni-Ce_(0.8)5Er0.15Oy (E15C85)复合阳极具有良好的孔道结构;23种不同阳极组成的单电池中,50%(质量分数)NiO-50%(质量分数)C20C80阳极支撑的单电池具有最佳的电化学性能,在650℃时其最大电流密度为148.84mA/cm~2,最大比功率为30.91mW/cm~2。 【关键词】：中温固体氧化物燃料电池 过渡金属 稀土氧化物 钴掺杂的氧化铈 铒掺杂的氧化铈
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 文献综述8-22
• 1.1 燃料电池概述8-9
• 1.2 固体氧化物燃料电池9-12
• 1.2.1 SOFCs 工作原理10-12
• 1.3 SOFCs 的关键材料12-16
• 1.3.1 阳极材料12-15
• 1.3.2 电解质材料15-16
• 1.3.3 阴极材料16
• 1.4 阳极-电解质-阴极三合一的制备和结构设计16-17
• 1.4.1 电极负载的薄膜电解质制备技术17
• 1.5 SOFCs 的发展趋势17-19
• 1.5.1 中温化SOFCs17-18
• 1.5.2 以碳氢化合物替代纯氢燃料18-19
• 1.6 立题意义、研究目标和内容19-22
• 第二章 纳米粉体的制备与表征22-31
• 2.1 实验仪器与设备22
• 2.2 化学试剂22-23
• 2.3 粉体的制备23-25
• 2.3.1 溶胶-凝胶法23
• 2.3.2 CDC 粉体的制备23
• 2.3.3 20CDC、20FDC、20MDC 粉体的制备23-24
• 2.3.4 EDC 粉体的制备24
• 2.3.5 LSCF 粉体的制备24
• 2.3.6 GDC 粉体的制备24-25
• 2.3.7 NiO 粉体的制备25
• 2.4 粉体表征25-30
• 2.4.1 粉体CDC 的物相分析25-26
• 2.4.2 粉体20CDC、20FDC 和20MDC 的物相分析26-27
• 2.4.3 粉体EDC 的物相分析27-29
• 2.4.4 粉体C20C80 透射电镜分析29
• 2.4.5 粉体E15C85 透射电镜分析29-30
• 2.5 小结30-31
• 第三章 天然气IT-SOFCs 阳极材料钴掺杂的氧化铈的制备与性能研究31-41
• 3.1 实验32-34
• 3.1.1 试剂和仪器32
• 3.1.2 阳极材料的制备32
• 3.1.3 单电池的制备32-33
• 3.1.4 电池性能的测试33-34
• 3.2 样品表征34
• 3.2.1 不同掺杂比粉体单片烧结后径向收缩率的测定34
• 3.3 结果与讨论34-39
• 3.3.1 粉体结构物相分析和化学相容性分析34-35
• 3.3.2 电池微观型貌分析35-36
• 3.3.3 单电池的电化学性能36-39
• 3.4 小结39-41
• 第四章 Ce_(0.8)M_(0.2)O_(2-δ)(M=Co、Fe、Mn)用于IT-SOFCs 阳极材料研究41-48
• 4.1 实验42-43
• 4.1.1 试剂和仪器42
• 4.1.2 阳极材料的制备42
• 4.1.3 单电池的制备42-43
• 4.1.4 电池性能的测试43
• 4.2 样品表征43
• 4.2.1 不同粉体单片在相同温度下烧结后径向收缩率的测定43
• 4.3 结果与讨论43-46
• 4.3.1 单电池片的微观结构分析43-44
• 4.3.2 单电池的性能测试44-46
• 4.3.3 不同单电池的电导率的计算46
• 4.4 小结46-48
• 第五章 天然气IT-SOFCs 阳极材料铒掺杂的氧化铈的制备与性能研究48-57
• 5.1 实验49-50
• 5.1.1 试剂和仪器49
• 5.1.2 电池阳极材料的制备49
• 5.1.3 单电池的制备49-50
• 5.1.4 电池性能的测试50
• 5.2 结果与讨论50-55
• 5.2.1 电池微观型貌分析50-51
• 5.2.2 单电池的电化学性能51-55
• 5.3 小结55-57
• 第六章 结论57-59
• 第七章 展望59-60
• 参考文献60-69
• 致谢69

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