低浓度燃料条件下运行的单气室固体氧化物燃料电池-凝聚态物理专业论文.docxVIP

Classified Index: TM911.4 U.D.C: 541.136 Dissertation for the Master Degree in Science SINGLE CHAMBER SOLID OXIDE FUEL CELL UNDER LOW CONCENTRATION OF FUEL Candidate： Liu Peishan Supervisor： Prof. Lü Zhe Academic Degree Applied for： Master of Science Speciality： Condensed Matter Physics Affiliation： Department of Physics Date of Defence： June, 2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学理学硕士学位论文 哈尔滨工业大学理学硕士学位论文 摘 要 单气室固体氧化物燃料电池（SC-SOFC）是一种将电池的阴极与阳极完全 暴露于燃料与氧化剂混合气氛环境中的新型燃料电池，依靠两个电极对混合气 氛中不同成分的选择催化作用或催化能力差异实现发电，具有无需密封，并可 以使用多孔电解质，易于构建电池堆叠等优点。目前，煤炭和石油等化石燃料 的燃烧过程中仍会有部分燃烧不充分，容易造成资源浪费和环境污染。借助 SC-SOFC 能够在燃料与氧气混合中工作的特点，可以利用 SC-SOFC 将未经完 全燃烧的燃料进行转化和二次利用。本论文拟探索可在中温区、低燃料浓度偏 氧化气氛的混合气体中运行的 SC-SOFC 的电极材料为目的，着重测试了以传 统阴极材料作为电极的 SC-SOFC 在 600℃~800℃温区，不同燃料浓度的混合 气氛中的电化学性能，并利用质谱分析技术进行了电极材料催化性能评价并分 析了相关工作机理，还研究了 Pt 催化剂的引入对电极和电池性能的影响。具 体研究包括： 测试了使用三种不同阴极(La0.75Sr0.25)0.95MnO3±δ、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ、 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ 的阳极支撑型 SC-SOFC 在较低温度和燃料浓度条件下 的电池开路电压（OCV）、放电曲线和阻抗谱，发现相对较低的测试温度中电 池开路电压震荡更小，相对而言更加稳定，并且当燃料浓度较低时电池的燃料 利用率更高，但电池输出功率变低。 为了适应尾气的低燃料浓度的氧化气氛下的工作要求，尝试将传统阴极材 料两两组合或分别与贵金属 Ag 组合成对，作为 SC-SOFC 的两个电极（阴极 和阳极），测量这种电池在中低温 CH4 与 O2 混合气氛中的 OCV，发现传统阴 极材料在一定条件下对 CH4 的部分氧化反应也有催化作用，其中催化作用更 强、电势降低更明显的可以充当电池阳极，其中 LSCF-BSCF 组成的电解质支 撑型电池时两极电势差最小，LSM-BSCF 电池两极电势差最大，开路电压最高， 达到了 140.7 mV。 通过完全模拟 SC-SOFC 预处理及工作环境，对传统阴极材料粉体进行预 处理，并在中低温区混合气氛下通过质谱分析测试材料在该条件 下 对 CH4-O2-Ar 混合气体的催化能力，并由此分析在电池工作运行时阴极材料部分 对整个电池性能的影响，分析电池反应机理。发现测试中的几种传统阴极材料 都能够对燃料的部分氧化反应产生催化作用，但催化能力各不相同， LSM 最 强，BSCF 最弱； I - LSM-BSCF 电解质支撑型电池中 LSM 电极上浸渍氯铂酸引入贵金属 Pt 催化剂，发现电池性能仅经历一次升降温便明显衰退。借助催化反应的质谱分 析，发现此时 CH4 的部分氧化反应更剧烈，所生成的 H2 导致了 LSM 电极的 分解，造成其对燃料的催化作用明显减弱。 关键词：单气室固体氧化物燃料电池（SC-SOFC）；低浓度燃料；传统阴极材 料充当阳极；质谱分析(MS) II - - - PAGE IV - Abstract Single-chamber solid oxide fuel cell (SC-SOFC) is a novel type of Solid oxide fuel cell (SOFC), and the anode and cathode of the battery are completely exposed to the atmosphere of a mixture of fuel and oxidant. It relies on the selectively catalytic properties of t