论文总字数：18896字

摘 要

阳极支撑型固体氧化物燃料电池（SOFC）可以大大减小电解质层的厚度，利于电解质层中离子传导，减小欧姆电阻，提高电池的功率。本实验通过对阳极表面进行介观修饰，制出规则的介观尺度条纹状、格点状阵列。其中，阳极支撑体表面修饰为宽210μm、间距350μm的条纹阵列相比于未修饰的样品，其半电池阻抗减小了60%；阳极支撑体表面修饰为直径180μm、间距220μm的格点阵列，相比于未修饰的样品，其半电池阻抗减小了75%。对阳极与电解质界面进行介观修饰，可增加三相反应界面（TPB）的比例，从而减小极化阻抗。对各样品活化能的计算也表明，进行介观修饰可以降低活化能，有利于阳极反应进行。

关键词：固体氧化物燃料电池 阳极 介观 电化学性能

Effect of anode surface mesoscale-structure

on electrochemical properties of SOFC

Abstract

Anode-supported solid oxide fuel cell (SOFC), whose electrolyte thickness is greatly reduced, shows a decreased ohmic resistance in the electrolyte layer and improved power density of the cell. In present study, the mesoscale structure on anode/electrolyte was modified to obtain stripe or dot arrays. The stripe array mesoscale structure with 210μm in width and 350μm in distance, led to a 60% decrease in polarization resistance compared with the unmodified sample. In case of the dot array mesoscale structure, whose diameter was 180μm and the distance was 220μm, a decrease of 75% in polarization resistance was observed. It can be explained by the increase in triple-phase boundary (TPB), which plays an important role in the anode electrochemical reaction, because of the modification. The activation energy reduced in the samples with modified anode/electrolyte interface, which also proved the effect of mesoscale structure on the electrochemical reactions.

Key Words: solid oxide fuel cell (SOFC); anode; mesoscale; electrochemical properties

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 SOFC工作原理 1

1.3 燃料电池电池极化和过电位 2

1.4 SOFC阳极材料 4

1.4.1 金属陶瓷复合材料 4

1.4.2 钙钛矿型材料 4

1.5 SOFC阳极结构 4

1.5.1 非对称阳极结构 5

1.5.2 凹槽型阳极结构 5

1.6 总结与展望 6

第二章 实验及表征方法 8

2.1 实验原料 8

2.2 实验所需主要设备 8

2.3 实验方法和步骤 9

2.3.1 阳极基片表面修饰 9

2.3.2 电解质浆料制备 10

2.3.3 试样制备 10

2.4. 表征方法 11

2.4.1 阿基米德法测试气孔率 11

2.4.2 烧成收缩 11

2.4.3 电化学性能 11

2.4.4 光学显微镜分析 12

2.4.5 扫描电子显微镜分析 12

第三章 结果与讨论 13

3.1 阳极基片气孔率的测定 13

3.1.1 造孔剂含量对阳极基片气孔率的影响 13

3.1.2 阳极基片被H₂还原后的气孔率 14

3.2 阳极基片的修饰 15

3.3 阳极基片表面未处理 16

3.4 阳极基片表面修饰为条纹状 16

3.5 阳极基片表面处理为格点状 18

3.6 阳极表面结构对半电池阻抗的影响 19

3.6.1 不同阳极表面结构的半电池阻抗 19

3.6.2 阳极/电解质界面接触面积的理论计算 20

3.6.3 表面结构对阻抗的影响 22

第四章 结论与展望 24

4.1 结论 24

4.2 展望 24

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1 引言

燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的能量转换装置，又称电化学反应器。这种装置最大的特点是反应过程中不进行燃烧，因此其能量转换效率不受卡诺循环效应的限制。相对传统供电设备，FC的能量转换效率高，低污染，无噪音。进入21世纪以来，燃料电池的研究发展迅速，已进入商业化阶段。目前研究进展较快的燃料电池是直接甲醇燃料电池（DMFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）^[1]。

SOFC是将气体中的化学能通过电化学反应直接转变成电能的一种装置。余热可作为供热和发电系统中的其他部分，实现热电联产，有效提高了整个电力系统的效率。能量转换效率在所有燃料电池最高（达70%）。由于运动部件少，工作时无噪音，采用全固态结构，在电池中没有酸碱腐蚀性物质，废弃物排放量极低。因而固体氧化物燃料电池被称之为21世纪的一种绿色发电技术^[2]。此外，SOFC可以使用纯氢燃料电池，也可以使用资源丰富、经济的液化石油气、天然气作为燃料，运行成本低^[3]。

1.2 SOFC工作原理

SOFC单电池由多孔的阳极、多孔的阴极以及两极之间致密的电解质组成，工作原理如下图1-1所示。在阳极一侧持续通入燃料气体，如氢气、天然气、煤气和其他碳氢化合物。以氢气（H₂）为例，H₂先通过扩散等传质过程迁移至阳极进行电催化，解离为H原子，吸附的H原子在电极电位的推动和催化剂的作用下发生电化学反应转变为H 。在阴极一侧持续通入氧气或空气，阴极利用其多孔结构吸附氧气，在催化作用下，发生氧还原反应，使O₂得到电子变为O^2-，。O^2-在电解质两侧电位差和浓差作用下，迅速通过电解质膜的氧空位，到达电解质/阳极界面，多孔阳极生成的H 与从阴极传输过来的O^2-在阳极/电解质界面结合生成水，失去的电子通过外部电路回到阴极，从而实现化学能转换成电能^{[4, 5]}，其反应为：

（1-1）

请支付后下载全文，论文总字数：18896字