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黄J发2

内蒙古科技大学本科生毕业论文

题目：

固体氧化物燃料电池阳极CuCoFe/SDC的制备及性能研究

学生姓名：

黄继发

学号：

200440203112

专业：

应用化学

班级：

应用化学2004-1班

指导教师：

李松波教授

固体氧化物燃料电池阳极CuCoFe/SDC的制备及性能的研究

摘要

燃料电池是一种高效、无污染的能量转化装置。

它不同于一般意义上的电池，一般意义上的电池是一种储能装置，而燃料电池却是一种以氢、天然气及碳氢化合物为燃料，从而产生电能的能量转化装置，之所以称其为电池，是因为同其它化学电池一样，都是由阴极、阳极和电解质组成。

从这一意义上讲，燃料电池更是一种电化学发动机。

但燃料电池又不同于传统的热机，从原理上讲，燃料电池不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高（可达50～80%）和环境友好（很低的有害气体和噪声污染）等传统热机从本质上无法比拟的优点。

近年来，由于矿物资源的日趋贫乏和生态环境的恶化，人们迫切希望能够找到一种高效、环境友好的发电技术，而燃料电池技术正好满足以上要求，因而受到各国的重视。

与其它燃料电池相比，固体氧化物燃料电池（简称SOFC）具有很多优势：

首先，SOFC采用全固体的电池结构，避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解质流失等问题；其次，电池在高温下工作，电极反应相当迅速，无需采用贵金属电极，因而电池成本大大降低，同时，电池排出的高质量余热可以充分利用，能量综合利用率可以从单纯的50%提高到80%以上；更为突出的优点是它的燃料适用范围广，不仅可以用H2，CO等燃料，而且可以用天然气、煤气化气以及其它碳氢化合物作燃料。

由于固体氧化物燃料电池（SOFC）具有明显的经济和技术优势，人们希望能够把燃料电池的运行温度降低到中温区（600oC～800oC），寻求能与中温电解质相匹配的阳极材料十分重要。

材料的选择和微结构的优化是获得SOFC高性能阳极材料的途径。

本文利用溶胶-凝胶（Sol-Gel）法合成了CuCoFe，SDC阳极材料。

在600oC预烧结，再用机械混合法按照质量比制备CuCoFe-SDC复合阳极，测量并比较了样品的性能。

结果表明，用在600oC预烧的粉末制备的复合阳极，很难成相。

关键词：

固体氧化物燃料电池，阳极，CuCoFe/SDC

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Abstract

PreparationandPerformanceofAnodeMaterialsCuCoFe/SDCforSolidOxideFuelCells

Fuelcellsareadevicethatcanconvertenergywithhighefficiencyandlowpollution.Theyarealsocalledcellsbecausetheyarecomposedofcathode、anodeandelectrolytesandwichedbythem,whicharethesamewiththetraditionalcell,Buttheyproduceelectricitybyelectrochemicalcombinationoffuelgas（e.g.hydrogen）withoxidantgas（e.g.oxygen）,whichdiffersfromthetraditionalcellusedtoreserveenergy.Sotheycanalsobelookedasageneratorwithanelectrochemicalprocess.Butcomparedwiththeconventionalgeneratorwhoseefficiencyofproducingelectricity,theyarenotsubjecttotheCannotlimitation,theyconvertthechemicalenergydirectlytoelectricalenergywithoutintermediateofthermalenergyandhaveexcellentenergyconversionefficiencyasaresult.Inadditiontohighefficiencyandlowemissions,theyhavealsoseveralotheradvantagessuchasmodularanddistributednature,andmuchlowerproductionofpollutants.Sincefuelcellsjusthavetheseadvantages,theywillplayanessentialroleinanyfuturehydrogenfueleconomy.

Asgenerationfuelcell,SOFC（SolidOxideFuelCell）hasmanyoutstandingadvantages,

whichisbetterthanotherfuelcells.Firstly,equippedwithallsolidcomponents,iteliminatestheproblemsthatliquidelectrolytefuelcellfaces,suchascorrosionandleakageofliquidelectrolytes.Secondly,operatingathightemperatures,itselectrodereactionissofastthatitisunnecessarytousenoblemetalsaselectrodes.Thusthecostofthecellscanbeminimized.Atthesametime,thehighqualityheatitemitscanbefullyused.Theoverallenergyconversionefficiencyofthethermal-electricsystemcanbeaddedupto80%.ThemostoutstandingadvantageofSOFCisthatitusesalargescaleoffuels,fromthehydrogen,carbonmonoxidetothenaturalgasorevenothercombustivegases.CurrentlythemaindifficultythattheSOFCfacesistheproblemcausedbyhightemperatureandtheceramiccomponentsmatch.

DecreasingtheoperatingtemperatureofSOFCdowntointermediaterange（600～800oC）,whichisdesirableduetoimportanteconomicalandtechnologicaladvantages,requiresoptimizationoftheanodecompositionandmicrostructureinordertoachievesufficientlyhighperformanceintheintermediatetemperaturaturerange.

Thistextusesthesol-gelmethodtosynthesizeCuCoFe/SDCanodematerial.Wasedfiredat600oC,theCuCoFe/SDCcompoundanodewasprep-ratedbymachinemixturemethodagain,measuredtocomparethefunctionofthesamplealso.Expressasaresultthatusetheelectrodethatthepowderthatwaspreparedtoburnin600oC,itisverydifficultphase.

Keywords:

SOFC,anode,CuCoFe/SDC

目录

摘要I

AbstractIII

第一章引言1

1.1燃料电池1

1.1.1燃料电池简介1

1.1.2燃料电池分类2

1.2固体氧化物燃料电池工作原理及特点3

1.2.1固体氧化物燃料电池工作原理3

1.2.2固体氧化物燃料电池特点4

1.3固体氧化物燃料电池的组件及性能要求6

1.3.1电解质材料7

1.3.2阴极材料8

1.3.3阳极材料8

1.4本文的主要工作和研究目的9

1.4.1选题的目的及意义10

1.4.2研究课题的提出11

第二章样品的制备方法及测试手段13

2.1实验仪器13

2.2实验方法-----溶胶—凝胶法概述（S-G）13

2.3高温电导率测试16

第三章CuCoFe的制备及性能研究18

3.1阳极材料的合成及电极的制备18

3.1.1溶胶-凝胶法制备CuxCo0.5-xFe0.5O1.75-0.5x粉末18

3.1.2合成CuCoFe－SDC阳极19

3.2物性测试及性能研究19

3.2.1XRD谱分析19

3.2.2高温电导率测试20

第四章结论与展望22

4.1结论22

4.2展望22

参考文献23

致谢25

第一章引言

1.1燃料电池

1.1.1燃料电池简介

简单地说，燃料电池（FuelCell）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。

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”。

燃料电池的概念[1]是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大约170年的历史。

期间发生重大事件如下表1.1所列:

表1.1燃料电池历年发生重大事件

年份

重大事件

1839

葛洛夫（WilliamGrove）证实燃料电池的工作原理。

1950

培根（