中温固体氧化物燃料电池阴极及质子导体电解质材料的性能研究

发布时间：2018-04-13 16:10

  本文选题：中温固体氧化物燃料电池 + 阴极　； 参考：《吉林大学》2017年博士论文

【摘要】：燃料电池(FC)是一种直接将化学能转化成电能的电化学反应器,固体氧化物燃料电池(SOFC)因具有全固态、能量转换效率高、低污染和燃料适应性广等优点而备受关注。传统的SOFC操作温度约为1000℃,高温操作导致燃料电池系统的启动成本增加,连接体、封装材料的选择要求严苛以及电池部件之间的化学反应导致电池的性能迅速衰减。为拓宽材料的选择范围,降低SOFC的成本,大量的基础研究致力于将SOFC的操作温度降低至中低温(500-800℃)。然而,降低操作温度导致阴极材料的界面极化电阻和电解质的欧姆电阻急剧增大,限制了SOFC的实用性。因此,开发高性能的SOFC阴极和电解质材料是加速SOFC实用化的必然要求。本文旨在深入研究高性能的SOFC阴极和电解质材料,为促进SOFC的发展提供有益的思路。本文致力于中温SOFC阴极和电解质材料两方面的研究。其一,开发高性价比、与电池部件具有良好的化学兼容和热循环稳定的阴极材料,在研究阴极材料的物性基础上利用其组装成电池,并测试其功率输出。其二,基于质子导体电解质材料具有高离子迁移率和对燃料气体无稀释的优点,通过Sm,Nd双掺杂BaCeO_3制备Ba Ce1-2xSmxNdxO_(3-δ)(简记为:BCSN)电解质,研究其掺杂浓度对电解质的物相结构、烧结特性、离子电导率和活化能的影响,并利用其组装成单电池,测试其在中温范围内电池的功率输出。层状钙钛矿氧化物Ln BaCo2O_(5+δ)因具有高氧表面交换系数和扩散系数,有希望成为SOFC阴极候选材料。但该类材料具有高热膨胀系数导致热循环稳定性差的缺点限制了其实际应用。通过Sr部分取代A′位Ba以及Cu部分取代B位Co,平衡阴极材料的电催化活性和热稳定性,利用溶胶-凝胶法制备出单相层状钙钛矿Ln Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co Cu O_(5+δ)(Ln=Pr,Sm)(简称:PBSCCo,SBSCCo)阴极。XRD分析表明PBSCCo、SBSCCo与GDC、LSGM电解质化学兼容性良好。XPS分析表明,室温下SBSCCo粉末样品的各金属离子氧化态分别为Co4+/3+、Cu2+/+、Sm3+、Ba2+和Sr2+,Co4+/3+、Cu2+/+的混合价态对提高材料的电导率和电催化活性起到关键的作用。空气气氛下,30-850℃范围内,PBSCCo以及SBSCCo的平均热膨胀系数(TEC)分别为17.58×10-6K-1和16.14×10-6K-1。SBSCCo-50GDC复合阴极的平均TEC为13.14×10-6K-1,相比于单相SBSCCo的平均TEC降低了18.5%。复合阴极有利于改善阴极与电解质材料之间的热匹配。空气气氛下,200-850℃范围内,PBSCCo以及SBSCCo的直流电导率随着温度的升高,电导率先增大后减小,呈现半导体-金属转变的规律。在整个测试温区内,PBSCCo的电导率高于SBSCCo。丝网印刷法制备了对称电池和电解质支撑型的单电池,800℃时,PBSCCo、SBSCCo阴极在GDC电解质上的极化阻抗Rp分别为0.0422Wcm,0.04882Wcm;以PBSCCo、SBSCCo为阴极,0.3mm厚GDC电解质支撑型单电池的最大功率密度分别为521m Wcm-2和481m Wcm-2。以上结果说明,PBSCCo较SBSCCo具有更好的氧还原反应的催化活性。800℃时,SBSCCo阴极在LSGM电解质上的极化阻抗Rp为0.03782Wcm,最大功率密度为646m Wcm-2。复合阴极SBSCCo-x GDC(x=20,30,40,50wt%)显著地降低了其在GDC电解质上的Rp值,800℃时,SBSCCo-30wt%GDC复合阴极在GDC(0.3mm厚)电解质上的Rp值为0.0222Wcm,最大功率密度为648m Wcm-2,复合阴极的功率密度是单相阴极的1.3倍。Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.1)Ni_(0.1)O_(3-δ)(简称:BSCFNi)是优异的透氧膜材料,这种高透氧量的性质有利于实现SOFC阴极内部快速的氧扩散和输运。为此,本文采用溶胶-凝胶法1000℃烧结10小时制备出单相简单钙钛矿结构的BSCFNi样品。XRD结果表明,950℃以下,BSCFNi阴极与LSGM电解质之间无化学反应,但与SDC电解质发生了微弱的化学反应。室温下BSCFNi粉末样品的XPS测试结果表明,金属离子以Co4+/3+、Fe4+/3+、Ni3+/2+、Ba2+和Sr2+的价态形式存在,Co4+/3+、Fe4+/3+、Ni3+/2+的混合价态有利于改善SOFC阴极的电化学表现。空气气氛下,30-850℃范围内BSCFNi阴极的平均TEC为18.7×10-6K-1。300-850℃范围内,其电导率呈现出P型小极化子跳跃传导规律,电导率的最大值为35scm-1。800℃时,BSCFNi阴极在LSGM和SDC电解质的Rp分别为0.033Wcm2和0.066Wcm2。800℃时,BSCFNi阴极在0.3mm厚LSGM电解质支撑型的单电池上获得了690m Wcm-2的最大功率密度。La_(0.6)Ba_(0.4)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(简称:LBFCo)由于具有良好的抗连接体材料Cr的性质被认为是一种潜在的稳定SOFC阴极材料。本文通过溶胶-凝胶法950℃煅烧5小时制备出单相简单钙钛矿结构的LBFCo阴极。XRD结果表明,950℃以下,LBFCo阴极与GDC电解质化学兼容性良好。空气气氛下,30-850℃范围内LBFCo阴极的平均TEC为22.4×10-6K-1。100-850℃范围内,LBFCo的电导率呈现出P型小极化子跳跃传导规律。电导率的最大值为666scm-1,高电导率有利于改善SOFC阴极的电催化活性。800℃时,LBFCo阴极在0.3mm厚GDC电解质上的Rp为0.035Wcm2,最大功率密度为554m Wcm-2。质子导体电解质具有高离子电导和能量转换效率的优点,稀土元素共掺杂BaCeO_3能够显著改善质子导体电解质的电导和烧结活性。利用(EDTA-Citrate)联合络合法制备Sm,Nd等摩尔双掺杂Ba Ce1-2xSmxNdxO_(3-δ)(2x=0,0.10,0.15,0.20,0.25)(简称:BCSN)系列质子导体电解质材料。XRD测试结果表明,经1050℃烧结10小时的BCSN系列电解质粉体均已经形成钙钛矿结构。经1400℃烧结10小时的样品,随Sm,Nd掺杂量的增加,晶格常数基本上呈线性增加,表明Sm_2O_3,Nd_2O_3已经完全固溶于BaCeO_3晶格中。Raman测试结果表明,BCSN系列样品在630cm-1附近出现了与氧空位有关的振动模式。随着Sm,Nd掺杂量的增加,BCSN样品的结构对称性提高,有可能伴随着晶体由正交向四方相的结构转变。结合SEM测试发现,当Sm,Nd掺杂总量2x≥0.15时,电解质达到致密化,说明Sm,Nd共掺杂能显著改善电解质的烧结活性。BCSN系列电解质的电导率明显高于纯BaCeO_3,当Sm,Nd总掺杂量2x=0.15时,其离子电导率最高,650℃时,湿(3%H2O)氢气气氛下的离子电导率为0.032scm-1。650℃时,0.3mm厚Ba Ce0.85Sm0.075Nd0.075O_(3-δ)电解质支撑型单电池的开路电压高达1.09v,且最大功率密度为127 m Wcm-2,明显高于纯BaCeO_3电解质的功率密度。以上结果表明,Sm,Nd共掺杂效应可以显著提高BaCeO_3质子导体电解质电导性能和烧结活性,但深入理解质子导体电解质材料的电化学性能还需要开展更多细致的工作。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【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：1745231