新型固体氧化物燃料电池的设计其性能及研究.pdf

分类号学号D200977138学校代码10487密级博士学位论文新型固体氧化物燃料电池的设计及其性能研究学位申请人:魏涛学科专业:材料学指导教师:黄云辉教授答辩日期:2012年10月24日1A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in EngineeringDesign and thePerformance Study of New TypeSolid oxide Fuel CellsCandidate:TaoWeiMajor:Materials ScienceSupervisor:Prof. Yunhui HuangHuazhong University of Science & TechnologyWuhan, 430074, , 2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□,在________年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年月日日期:年月日I华中科技大学博士学位论文摘要当今社会,随着人口与经济的迅猛增长,全球的能源消耗也迅猛增加。高效率、低成本及环境友好型的可再生能源转换及存储系统的研究已经越来越成为科研热点。燃料电池是一种通过氧化还原反应过程将气态或液态燃料的化学能直接转化为电能的电化学装置,不经过燃烧,所以它并不受卡诺循环的限制,具有很高的化电转换效率。为了减少对传统燃料的过分依赖、保证能源需求和减少环境污染,广泛的发展燃料电池技术将成为科研研究的重点。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、环保的发电装置。传统SOFC的高工作温度促进了电池内部的反应动力学,从而减少了电池对贵金属催化剂的需求。在如此高的温度下,碳氢化合物燃料还可以在电池内重整,使之成为燃料电池优异的燃料气。这些特性决定了燃料电池是非常值得大力研究的。目前,从经济学的角度来看,燃料电池还不能够和现在传统的火力和水力发电技术相竞争。一个降低成本的方法就是降低电池的工作温度,然而,电池的电化学性能会随着工作温度的下降而下降,这主要是由于电极的极化电阻增加以及电解质电导率下降造成的。因为传统的电极在燃料电池的中低温下会表现出较高比例的电压损失。因此,开发新的阴极材料或者设计新的燃料电池结构对于中温SOFC至关重要,阴极的研究成为电极发展关注的中心。SOFC还远没有达到商业化的要求,还有许多新电池材料和电池结构需要研究。本论文中我们提出了“热电固体氧化物燃料电池”的概念。这个概念的基本思路是,虽然燃料电池本身对燃料的利用效率很高,但是由于燃料电池本身的欧姆电阻和电极的极化,使其在工作过程中将会不可避免的产生大量的废热,而热电材料的特性是在存在温差的环境下,能够实现电能和热能之间直接的转换,从而利用热电转换的原理达到废热发电的目的。我们设想将热电材料和燃料电池联用,具体的操作过程是可以利用热电材料替代燃料电池传统的部件材料,如阴极、阳极或者连接材料,这样就可以使得燃料电池在不增加额外部件的基础上,通过重新设计和制作各部件II华中科技大学博士学位论文结构,使热电材料在起到燃料电池原有部件功能的同时通过消耗电池产生的废热来获得额外的电量。这种思路为进一步提高燃料电池的燃料利用效率提供了可能的路径。为了更加清楚的验证“热电燃料电池”的设计思路,我们测试了用热电材料做电池的阴极,通过热电电极来消耗电池产生的废热,从而得到额外的热电电压。具体的步骤是:首先设计和制作了具有特殊结构的燃料电池,阳极、缓冲层和电解质都是普通的电池结构,我们制作了新型阴极结构来更加清楚的验证热电阴极可以通过消耗废热来产生热电电压。 mm直径1 mm的加长多孔圆柱状结构。用一定量的银浆将此圆柱阴极封接于燃料电池的阴极侧,为热电阴极。电池在测试过程中燃料气(如H2或CH4)分解会放出大量的热(例如,2H2(g) + O2(