中低温固体氧化物燃料电池中CuNiSDC阳极的制备与表征[20200408131634]
摘 要
以碳氢气体为燃料的中低温固体氧化物燃料电池会因为碳氢气体的氧化不完全形成碳沉积而影响电池的正常运行。本课题利用Cu单质具有抑制碳氢气体直接氧化产生碳沉积的能力，制得了一种新型抗积碳的Cu/Ni/Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)阳极结构。
首先通过采用氨基乙酸燃烧法制备出了NiO-SDC复合氧化物粉末；然后压制烧结制得NiO-SDC陶瓷，并在氢气气氛下还原制得Ni/SDC多孔陶瓷；最后采用湿化学渗入还原法，制备获得一种新型抗积碳的Cu/Ni/SDC阳极结构。通过X射线粉末衍射仪分析粉末的组成，通过扫描电子显微镜分析陶瓷的微观结构及元素分布。
实验结果表明，以添加尿素的硝酸铜溶液进行滴加成功地将纳米Cu颗粒均匀地分布到Ni/SDC多孔陶瓷的框架上，且Cu颗粒的晶粒尺寸大部分分布在几十纳米的范围内。
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关键字:固体氧化物燃料电池(SOFC)Cu/Ni/SDC阳极抗积碳微观结构组分分布Low-temperaturesolidoxidefuelcellCu/Ni/SDCanodePreparationandCharacterization
目 录
1. 绪论 1
1.1 燃料电池的概述 1
1.2 固体氧化物燃料电池 2
1.2.1 SOFC 2
1.2.2 SOFC阳极材料的研究 3
1.3 研究课题的目的和意义 4
1.4 拟解决问题和采用的方法 4
2. 实验准备 5
2.1 实验使用的药品和仪器 5
2.1.1 实验所用的主要药品 5
2.1.2 实验所用的主要仪器 5
2.2 实验准备 6
2.2.1 仪器的处理 6
2.2.2 硝酸盐溶液的配制 6
2.3 实验方法 7
2.4 结果表征和分析方法 7
2.4.1 扫描电子显微镜(SEM) 7
2.4.2 X射线粉末衍射仪(XRD) 8
3. NiO-SDC粉末的制备 10
3.1 混合溶液的配制 10
3.2 NiO-SDC粉末的制备 10
4. Ni-SDC陶瓷的制备 12
4.1 NiO-SDC粉末的压片 12
4.2 NiO-SDC陶瓷的制备 13
4.3 Ni-SDC陶瓷的制备 13
5. Cu/Ni/SDC陶瓷的制备 15
5.1 溶液的配制 15
5.2 溶液的滴加 15
5.2.1 滴加硝酸铜溶液 15
5.2.2 滴加硝酸铜+尿素（1：1.5）混合溶液 15
5.3 Cu/Ni/SDC陶瓷的制备 16
6. 数据分析 17
6.1 粉末的XRD表征 17
6.2 陶瓷片的SEM分析 18
6.2.1 Ni/SDC多孔陶瓷的SEM分析 18
6.1.2 Cu/Ni/SDC多孔陶瓷的SEM分析 19
结 语 23
参考文献 24
致 谢 25
1. 绪论
能源是经济发展的基础, 也是衡量综合国力、国家文明发达程度和人民生活水平的重要指标。历史上每一次能源技术的创新突破都极大地推进了现代文明的发展。在能源危机和环境污染日趋严重的情况下, 多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能, 直接转化为电能的装置。燃料电池不受卡诺循环的限制, 能量转化效率高, 环境友好, 既可以集中供电,也适合分散供电。正是由于这些突出的优越性, 燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视, 被认为是21世纪首选的洁净、 高效的发电技术[1]。
1.1 燃料电池的概述
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置[1]。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。
图1.1 燃料电池工作原理
燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：能量转化效率高；它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%-60%，而火力发电和核电的效率大约在30%-40%。安装地点灵活；燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。负荷响应快，运行质量高；燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率[1-3]。
燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类[1]：
1质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell--PEMFC )
2碱性燃料电池(alkaline fuel cell--AFC)
3磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell--PAFC)
4溶化的碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell--MCFC)
5固态氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell--SOFC)
1.2 固体氧化物燃料电池
1.2.1 SOFC
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是在中高温运行条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效率、环境友好地转化成电能的全固态发电装置。从可持续发展角度来看，SOFC极具发展前景，被普遍认为是在未来会得到广泛应用的一种燃料电池。而且它是一种全固态的燃料电池,工作温度在1000℃左右,具有能量转换效率高,燃料适应性强,无腐蚀和环境友好等优点[3]。不仅如此,它还可以与燃气轮机等构成联合循环发电,使发电效率达到70%左右[4]。
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能直接将化学能转化为电能的能量转化装置,并且无噪音污染、能量转化率高。传统的YSZ电解质组成的固体氧化物燃料电池由于电解质材料在较低温度下的电阻较高,一般要工作在950-1000℃。降低SOFC的运行温度到600-800℃将在很多方面体现出优越性,如可以降低电池其它组件材料的费用、降低材料的失效问题等,成为了SOFC发展的必然趋势。因此研究和开发中低温固体氧化物燃料电池的电极材料对SOFC的发展至关重要[5,6]。
但随着操作温度的降低,中低温SOFC的应用发展面临新的挑战,其中急需解决的重要问题包括[6-8]:1)传统阴极材料在中低温条件下催化活性低,使电池输出功率较低;2)现有的中温电解质材料在操作条件下存在一定的电子导电现象,造成电池内短路,转换效率低;3)氢气燃料气储存运输困难,不适用作商业化燃料,而传统的阳极材料对碳氢燃料裂解具有高催化活性,易形成碳淀积,导致电池性能骤减。
1.2.2 SOFC阳极材料的研究
迄今为止，国内外对SOFC阳极的研究大多仍处于实验室阶段。
目前广泛使用的性能比较好的SOFC阳极材料主要是Ni/YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)金属陶瓷[8]。在这种阳极中，YSZ陶瓷材料主要起支撑作用，提供承载Ni粒子的骨架结构，阻止在SOFC系统运行过程中Ni粒子团聚而导致阳极活性降低，同时使得阳极的热膨胀系数能与电解质(YSZ)相匹配。Ni是以多孔的状态均匀地分布在YSZ的骨架上，多孔Ni粒子除了提供阳极中电子流的通道外，还对氢的还原有催化作用。这种阳极材料具有电子与离子传导性好、在高温下操作具有较好的热和化学稳定性、对阳极的电化学反应有良好的催化活性等优点。不过，仍存在下述缺陷：长期高温操作条件下Ni颗粒烧结，耐硫能力差、阳极积碳等。对于这些问题的解决办法是目前Ni/YSZ阳极材料研究的热点[8,9]。
近年来，随着掺杂CeO2(DCO)作为新型固体氧化物燃料电池电解质的开发成功，与其相匹配的阳极材料也逐渐成为研究的热点。这些阳极材料主要有Ni/SDC(Sm3+掺杂的CeO2)、Ni/GDC(Gd3+掺杂的CeO2)等。由于CeO2在还原性燃料气体中可被部分还原(Gd4+变为 Gd3+)，因此与Ni/YSZ阳极相比，掺杂的CeO2阳极电子电导率更大,在中温(500-800℃)下具有更高的开路电压和更低的极化过电位[8-10]。对此种阳极材料的研究为SOFC的中低温运行开辟了新道路。

原文链接：http://www.jxszl.com/dzxx/gdxx/5872.html