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平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池的实验与数值模拟

汤根土  
【摘要】:当今世界人类正面临着在有限资源及环保严格要求的双重制约下实现经济 和社会可持续发展的重大挑战,而能源问题将更加突出,开发SOFC对中国的可 持续发展和有中国特色的社会主义现代化建设具有深远的经济效益和社会效益, 在国家安全及国防战略上将扮演着极其重要的角色,它适应了能源供应的安全 性、多元化及长远性的需求。而平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池在很多方面 体现出了优越性,已成为新一代SOFC发展的必然结果。 固溶体粉体的制备是电池组件制备的第一步,本文采用二种方法对纳米粉体 的制备过程作了详细的探讨。采用水/CTAB/环己烷/中等碳链长度醇组成的反相 微乳体系,制备出了粒径分布均匀、平均晶粒尺寸5~8nm的Ce_0.8Y_0.2O_1.9超细粉体, 研究了影响最终产物的因素,包括助表面活性剂、不同ω_o、反应物浓度、陈化 时间、碱液浓度等。所得产物用TEM进行分析,结果表明助表面活性剂、不同ω 。及陈化时间对产物影响不大,但反应物浓度及碱液浓度对产物的晶粒粒径大小 有一定的影响。采用溶胶-凝胶与低温自蔓延燃烧相结合的方法合成了纳米级超 细Sm_0.15Gd_0.05Ce_o.8O_1.9粉体,选用的合成体系有:柠檬酸-硝酸盐,甘氨酸-硝酸 盐,EDTA络合-硝酸盐等方法。所合成粉体进行了XRD、TEM及LRS检测, 研究了不同方法制备的粉体的结构及晶相。结果表明XRD和LRS相结合能较好 地表征固溶体的结构和纯度,几种方法合成的粉体为纯度高的掺杂氧化铈固溶 体,晶粒尺寸较均匀,但分散性差。影响最终合成的超细粉体粒径的因素有:有 机络合剂的种类、性质,有机络合剂与总金属阳离子比例及形成掺杂固溶体所需 的温度。 研究了中温固体氧化物燃料电池关键材料制备及三合一板的制备工艺及烧 结工艺技术,采用干压成形方法制备了Ni-Gd_0.2Ce_0.8O_1.9多孔阳极,比较了纳米 粉体Gd_0.2Ce_0.8O_1.9在不同情况下的烧结致密,结果表明在1400℃达到了致密状 态,而且得到了较好的阴极薄膜,通过化学相容性研究表明La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3. 8与Gd_0.2Ce_0.8O_1.9能达到较好的化学相容性。 发展了用于研究平板状固体氧化物燃料电池的三维数学模型,同时考虑了流 体流动、电荷传递及电化学动力学,并对单电池作了数值模拟,分别从气体浓度 分布、电势分布及浓度过电势来评价电池性能,结果表明:在高电流密度情况下 当燃料沿燃料通道方向流动未出现低燃料浓度区或产物浓度区时,电池电势在燃 料流动方向上变化不大;高燃料利用率或高电流密度时浓度过电势较高;在低反 应物浓度时反应物浓度稍微变化会使浓度过电势有较大的变化;几何结构的变化 对反应物在垂直于燃料流动方向阳极/电解质界面的均匀分布几乎没有影响,但


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