cusdc阳极支撑sofc单电池电性能测试【字数：9785】
摘 要Cu-SDC复合材料被证明具有良好的抗积碳抗硫毒化性能，是固体氧化物燃料电池电池阳极材料的理想选择。本实验以燃烧法制得铜钐共掺氧化铈粉末为原料，通过压制、烧结和还原制备Cu-SDC多孔阳极支撑的单电池，并以甲烷、模拟天然气及加少量的H2S为燃料测试电池的输出特性和稳定性。在600℃条件下，以Cu0.1Sm0.18Ce0.72Ox粉末为阳极材料的单电池以CH4为燃料的最大功率密度可达到305mW/cm-2，以模拟天然气为燃料时的最大功率密度为240mW/cm-2。结果表明Cu-SDC的抗积碳和抗硫毒化能力强，长期稳定性好，适宜作SOFC阳极。
目录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 CuSDC阳极支撑SOFC单电池的设计背景 1
1.2.1 SOFC的概述 1
1.2.2 SOFC的工作原理及方法 2
1.2.3 SOFC的弊端与改善方法 2
1.2.4 SOFC常用燃料研究 3
1.3 本文研究内容 5
第二章 CuSDC阳极支撑SOFC单电池的制备 7
2.1 实验药品与实验设备 7
2.2 单电池的制备 7
2.2.1 粉末的制备 7
2.2.2 单电池制备 8
2.3 封装单电池 9
第三章CuSDC阳极支撑SOFC单电池的电性能测试 11
3.1 SEM分析 11
3.2 交流阻抗和最大功率密度分析 12
3.3 稳定性分析 14
第四章 总结 16
参考文献 18
致谢 20
第一章 绪论
1.1 引言
传统的化石能源利用率低、功耗大、污染严重。对传统能源的依赖和使用已使空气的污染愈发严重。过度采探石油、采挖煤矿使地表下陷并存在塌陷的危险，严重破坏了地表景观，加重了环境污染，大大增加了发生灾害的可能性。而依据今年的数据，虽然能源结构已有改善和调整，但我国现阶段依旧以煤炭为主要能源。
在国际环境相对稳定的今天，国际冲突的最热点已不是国土之争而是能源之争。因为能源是社会的动力 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
，是一个社会运转所需的血液，同时却也制约着社会的发展。所以说能源是一个国家的命门所在，谁掌握了能源，谁就掌握了先机，占据了主导地位。
为了改善我国的能源现状，满足我国日益增长的能源消费需求，更为了我国经济、社会与环境可持续发展。我们急需降低化石能源用量，提高能源利用率，同时摸索调整更合适的能源结构。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是目前将化学燃料直接转换为电能的最有效的装置，是降低化石能源用量，提高能源利用率不可或缺的一个研究方向。依据SOFC的工作原理，理论上只要能被O2氧化的气体均能作为SOFC的燃料。因此相对于其它类型的燃料电池，SOFC最主要的优点之一就是能够以更便利的碳氢气体作为燃料[1]。尽管目前常用的金属陶瓷复合阳极中的 Ni 对氢气有很高的活性，但直接使用碳氢化合物作燃料时，容易在阳极发生积碳反应。积碳不仅会使阳极的活性迅速降低，造成电池输出性能的衰减，而且会堵塞燃料的传输通道，使电池不能正常运行。因此目前抗积碳阳极材料仍然是人们研究的重点。
1.2 CuSDC阳极支撑SOFC单电池的设计背景
1.2.1 SOFC的概述
燃料电池是一种直接把燃料的化学能转变为电和热的电化装置, 无需经过燃烧这一中间环节。与其它发电装置相比，转化效率达到60 % 左右, 部分负荷时的效率也高；具有积木式结构，场地限制性小以及污染小等优点，是一种清洁发电方式；与风能、太阳能等发电方式相比， 又具有较高的能量密度特点。其运行温度超过60℃，产生高品位的蒸汽，可用于热电并供或底部循环，但也存在着材料不耐腐蚀、寿命周期短、制造要求高等技术难题。
固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态化学发电装置。SOFC的能量转换效率和循环效率高，污染物接近零排放，是化学燃料直接转变为电能最有效的装置。SOFC的环境兼容性和规模灵活性良好，在性能和发电效率上都代表了燃料电池的发展方向。因此SOFC是研究清洁和高效新能源发电技术的必不可缺的途径之一。[9]
1.2.2 SOFC的工作原理及方法
图1.1 以H2+CO+CH4为燃料的SOFC工作原理示意图[1]
固体氧化物燃料电池跟其他电池一样，单电池主要由电解质、阴极、阳极三部分组成。在工作状态下，阴极的氧气（空气）得到两个电子变成氧离子，因固体氧化物燃料电池的电解质只容许氧离子通过，从而氧离子穿过电解质与阳极的燃料（以H2+CO+CH4为例）发生反应，电子通过外电路到达阴极，从而驱动负载做功。具体反应式如下。
阴极反应：O2+4e→O2
阳极反应：2H2+2O2→2H2O+4e
CO+O2→CO2+2e
CH4+4O2→CO2+2H2O+8e
1.2.3 SOFC的弊端与改善方法
传统 SOFC 采用镍基金属陶瓷阳极，由氧化钇、稳定的氧化锆或掺杂氧化铈作为电解质。具有电子电导率高、对氢气电催化氧化活性高和兼容性很好等优点。但仍存在待攻克的缺点：（1）不适用于大型工程。最主要是因为高温下长期工作时，不能充分保证电极材料和电解质材料的稳定性，而且电池堆的连接体材料和密封材料的性能也容易衰退。（2）燃料的储存、运输等会需要高昂的费用，且存在安全隐患。（3）以CH4为燃料的固体氧化物燃料电池的阳极具有积碳问题。在 CH4 等碳氢化合物为燃料的阳极反应中，高温反应生成的单质碳会堵塞催化剂孔道并阻碍催化反应的进行。如果碳在阳极持续积累，催化剂活性会进一步降低，这将导致燃料电池性能急剧降低。所以可使用的燃料来源面窄。
目录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 CuSDC阳极支撑SOFC单电池的设计背景 1
1.2.1 SOFC的概述 1
1.2.2 SOFC的工作原理及方法 2
1.2.3 SOFC的弊端与改善方法 2
1.2.4 SOFC常用燃料研究 3
1.3 本文研究内容 5
第二章 CuSDC阳极支撑SOFC单电池的制备 7
2.1 实验药品与实验设备 7
2.2 单电池的制备 7
2.2.1 粉末的制备 7
2.2.2 单电池制备 8
2.3 封装单电池 9
第三章CuSDC阳极支撑SOFC单电池的电性能测试 11
3.1 SEM分析 11
3.2 交流阻抗和最大功率密度分析 12
3.3 稳定性分析 14
第四章 总结 16
参考文献 18
致谢 20
第一章 绪论
1.1 引言
传统的化石能源利用率低、功耗大、污染严重。对传统能源的依赖和使用已使空气的污染愈发严重。过度采探石油、采挖煤矿使地表下陷并存在塌陷的危险，严重破坏了地表景观，加重了环境污染，大大增加了发生灾害的可能性。而依据今年的数据，虽然能源结构已有改善和调整，但我国现阶段依旧以煤炭为主要能源。
在国际环境相对稳定的今天，国际冲突的最热点已不是国土之争而是能源之争。因为能源是社会的动力 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
，是一个社会运转所需的血液，同时却也制约着社会的发展。所以说能源是一个国家的命门所在，谁掌握了能源，谁就掌握了先机，占据了主导地位。
为了改善我国的能源现状，满足我国日益增长的能源消费需求，更为了我国经济、社会与环境可持续发展。我们急需降低化石能源用量，提高能源利用率，同时摸索调整更合适的能源结构。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是目前将化学燃料直接转换为电能的最有效的装置，是降低化石能源用量，提高能源利用率不可或缺的一个研究方向。依据SOFC的工作原理，理论上只要能被O2氧化的气体均能作为SOFC的燃料。因此相对于其它类型的燃料电池，SOFC最主要的优点之一就是能够以更便利的碳氢气体作为燃料[1]。尽管目前常用的金属陶瓷复合阳极中的 Ni 对氢气有很高的活性，但直接使用碳氢化合物作燃料时，容易在阳极发生积碳反应。积碳不仅会使阳极的活性迅速降低，造成电池输出性能的衰减，而且会堵塞燃料的传输通道，使电池不能正常运行。因此目前抗积碳阳极材料仍然是人们研究的重点。
1.2 CuSDC阳极支撑SOFC单电池的设计背景
1.2.1 SOFC的概述
燃料电池是一种直接把燃料的化学能转变为电和热的电化装置, 无需经过燃烧这一中间环节。与其它发电装置相比，转化效率达到60 % 左右, 部分负荷时的效率也高；具有积木式结构，场地限制性小以及污染小等优点，是一种清洁发电方式；与风能、太阳能等发电方式相比， 又具有较高的能量密度特点。其运行温度超过60℃，产生高品位的蒸汽，可用于热电并供或底部循环，但也存在着材料不耐腐蚀、寿命周期短、制造要求高等技术难题。
固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态化学发电装置。SOFC的能量转换效率和循环效率高，污染物接近零排放，是化学燃料直接转变为电能最有效的装置。SOFC的环境兼容性和规模灵活性良好，在性能和发电效率上都代表了燃料电池的发展方向。因此SOFC是研究清洁和高效新能源发电技术的必不可缺的途径之一。[9]
1.2.2 SOFC的工作原理及方法
图1.1 以H2+CO+CH4为燃料的SOFC工作原理示意图[1]
固体氧化物燃料电池跟其他电池一样，单电池主要由电解质、阴极、阳极三部分组成。在工作状态下，阴极的氧气（空气）得到两个电子变成氧离子，因固体氧化物燃料电池的电解质只容许氧离子通过，从而氧离子穿过电解质与阳极的燃料（以H2+CO+CH4为例）发生反应，电子通过外电路到达阴极，从而驱动负载做功。具体反应式如下。
阴极反应：O2+4e→O2
阳极反应：2H2+2O2→2H2O+4e
CO+O2→CO2+2e
CH4+4O2→CO2+2H2O+8e
1.2.3 SOFC的弊端与改善方法
传统 SOFC 采用镍基金属陶瓷阳极，由氧化钇、稳定的氧化锆或掺杂氧化铈作为电解质。具有电子电导率高、对氢气电催化氧化活性高和兼容性很好等优点。但仍存在待攻克的缺点：（1）不适用于大型工程。最主要是因为高温下长期工作时，不能充分保证电极材料和电解质材料的稳定性，而且电池堆的连接体材料和密封材料的性能也容易衰退。（2）燃料的储存、运输等会需要高昂的费用，且存在安全隐患。（3）以CH4为燃料的固体氧化物燃料电池的阳极具有积碳问题。在 CH4 等碳氢化合物为燃料的阳极反应中，高温反应生成的单质碳会堵塞催化剂孔道并阻碍催化反应的进行。如果碳在阳极持续积累，催化剂活性会进一步降低，这将导致燃料电池性能急剧降低。所以可使用的燃料来源面窄。
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