低温固体氧化物燃料电池及相关电极设计与研究

发布时间：2018-02-27 15:36

  本文关键词： 固体氧化物燃料电池 低温化 掺杂氧化铈 稳定氧化铋 质子导体 阴极 质子阻塞　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)低温化应用是商业化发展的必然需求。目前发展的电解质材料当中,低温氧传导能力表现较好的体系当属掺杂氧化铈(DCO)体系及稳定氧化铋(SBO)体系,鉴于两种体系材料都存在各自的缺点,其低温化应用研究相对较少;而质子导体基SOFC(H-SOFC)电解质以其较低的活化能而成为极有潜力低温化应用的燃料电池。本论文工作主要涉及(1)DCO-SBO双层电解质薄膜的低成本制备技术,开展相关的制备工艺探索、新型结构及材料设计与研究;(2)H-SOFC不含Co元素高性能低温阴极材料的设计与开发,以及电化学机理分析研究,从理论上指导设计低温高性能H-SOFC阴极材料。论文第一章介绍了 SOFC低温化所面临的问题,综述了各低温SOFC关键部件材料发展及研究状况,同时,基于质子阻塞型阴极在H-SOFC表现的优势,对无Co质子阻塞阴极材料在H-SOFC上的应用进行了总结。第二章,发展了 一种简单的低成本共压-涂浆复合技术成功制备Sm_(0.075)Nd0.075Ce_(0.85)O_(2-δ-)Er_(0.4)Bi_(1.6)O_3(SNDC-ESB)双层电解质薄膜结构电池,在低温测试范围内(450-600 ℃)表现出DCO-SBO双层结构体系电池最佳的性能输出,其在450 ℃依然具有高达130 mW cm-2的功率输出,克服了当前在致密DCO电解质基底上获得SBO电解质薄膜只能采用脉冲激光沉积(PLD)及磁控溅射等高成本小尺寸技术的局限,表明这种简单易操作的低成本制备技术是一种有效且较有潜力的DCO-SBO双层电解质薄膜制备方法,有利于促进SBO电解质材料在低温高性能SOFC上的应用。第三章,将不同电导率DCO材料Gd_(0.1) Ce_(0.9)O_(2-δ)(GDC)及SNDC应用于DCO-SBO双层电解质结构电池当中,探究不同DCO电解质层对双层结构电池性能的影响。结果表明,具有更高离子电导率的SNDC更有利于提高DCO-SBO双层结构电池的工作效率。此外,测试过程中发现DCO|SBO双层电解质(包含SNDC|ESB及GDC|ESB)电导率均高于DCO层及SBO层的"奇异"现象;对此"奇异"现象进行分析,考虑DCO-SBO双层膜在SOFC工作条件下的离子具体传输过程及反应机理,从理论上解释电导率"奇异"现象发生的原因。第四章,鉴于SBO高反应活性,目前应用于DCO-SBO低温SOFC阴极材料极其匮乏,表现较好的多为贵金属元素材料,如Bi2Ru2O7。本章开发了一种新型的A位无序钙钛矿阴极材料Pr_(0.5)Ba_(0.5)MnO_(3-δ)(PBM),复合Er_(0.4)Bi_(1.6)O_3(ESB)形成纳米结构复合阴极ESB-PBM,阴极颗粒尺寸在100-200nm;将其应用于SNDC|ESB双层电解质电池上,表现出相当优秀的性能输出,650 ℃具有高达994 mWcm-2的功率输出,表明ESB-PBM是一种较为优越的DCO-SBO双层电解质低温高性能阴极材料。第五章,设计了一种新型质子阻塞复合阴极(PBCC)应用于H-SOFC上,与原有氧空位方式传导氧离子的PBCC材料不同,新型PBCC材料La_2NiO_4+δ-LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3-δ)(LNO-LNF)采用间隙机制传导氧离子。两种不同氧传导方式PBCC材料:LNO-LNF与Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(2-δ)-LNF(SDC-LNF)的对比研究,为解释PBCC阴极中氧离子与电子输运机制及界面反应过程,探究电池性能总体提高的内在因素,对指导设计H-SOFC质子阻塞阴极(PBC)材料具有重要意义。同时,基于表现较好的PBCC材料LNO-LNF,进行阳极功能层(AFL)不同Ni含量比例优化,确保其他关键部件结构良好的情况下,优化LNO-LNF阴极在H-SOFC上的电性能输出,使其在低至500 ℃温度下依然具有较高的功率性能,最大功率输出为270 mW cm-2,表明该PBCC材料是一种优秀的H-SOFC低温高性能阴极材料。第六章,利用一种四方相层状结构材料Pr_(1.5)Ba_(1.5)Cu_3O_(7-δ)(PBCu)与SDC氧离子传导材料复合构造了一种新型无Co质子阻塞复合阴极SDC-PBCu,将其应用在20μm厚BZCY电解质H-SOFC上,性能表现极其优越,功率输出性能在700℃时高达1000 mW cm-2;低温区域内(500-600 ℃)具有同类阴极的最高性能输出,表明SDC-PBCu是一种极有潜力的H-SOFC低温化阴极材料。第七章,对本论文工作进行总结,并指出了关于DCO-SBO双层结构电池和无Co质子阻塞阴极应用于低温H-SOFC中一些值得研究的问题。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM911.4
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本文编号：1543268