质子传导的固体氧化物燃料电池电解质及阴极材料的性能研究
发布时间：2021-08-06 22:53
燃料电池被认为是解决日益严重的全球能源危机和环境污染问题的有效的解决方案,它是一种可以直接将燃料和氧化剂的化学能转化成电能的装置,有低污染、高转化效率等优点。传统的固体氧化物燃料电池（SOFC）使用钇稳定的氧化锆（YSZ）作为电解质,其工作温度高达800-1000°C,其成本高,材料易退化,而且有不同层间热膨胀失配等问题,为了避免这些问题,就要降低操作温度。中温质子传导固体氧化物燃料电池现如今得到了广泛的关注,开发合适的电解质和阴极材料用于质子传导固体氧化物燃料电池（H+-SOFC）至关重要。基于上述考虑,我们研究了质子传导的H+-SOFC电解质及阴极材料,考察了它们作为H+-SOFC电解质和阴极材料的可行性。研究的主要内容和结论如下:通过固相法合成了BaCe0.7Zr0.1Y0.2-xZnxO3-δ（x=0.05,0.10）电解质,研究了不同的ZnO含量对BZCY7电解质晶体结构以及电导率、热膨胀和致密性的影响...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
H2作为燃料O-SOFC的工作原理示意图
第一章前言4图1.2H2作为燃料H+-SOFC的工作原理示意1.2.3质子传导机制钙钛矿型（ABO3）质子导体，是以质子为载流体，因其在中温下具有低的活化能和高的质子电导率而受到普遍关注。1981年H.Iwahara等人报道了SrCeO3基材料在高温下的氢气环境中或水的环境具有极好质子导电性[3]。材料中质子缺陷的形成，是因为在钙钛矿材料中，通过掺杂产生氧空位，在氢气或水蒸气条件下，水分解成一个OH和一个质子，OH填补了氧化物离子的空位，而质子与晶格氧形成共价键，形成两个带正电荷的质子缺陷(OOH)，这个反应表示为：22()OOOHOOVOH质子传导的过程很复杂，它的传导机制有多种说法，目前Grotthuss机制扩散普遍被人们接受。在钙钛矿氧化物中，质子可以通过与氧结合形成质子缺陷(OOH)，并通过Grotthuss机制扩散，其过程如下：(1)质子掺入；(2)旋转扩散；(3)向邻近氧的转移。在H+-SOFC的电解质材料中，掺杂BaCeO3和BaZrO3材料因其快速的质子传输而被认为是两个最有前途的H+-SOFC应用材料。BaCeO3基材料具有高导电性，但稳定性有限，特别是在含有水蒸汽或二氧化碳的环境中[4,5]。BaZrO3电解
第一章前言6mWcm-2的峰值功率密度。Sr2Fe1.5Mo0.5O3-δ(SFM)-BZCY复合作为复合阴极材料，在800°C时取得了396mWcm-2的峰值功率密度。复合阴极材料反应时，三相界面被延伸到整个阴极界面，这极大地促进了质子和氧的传递和反应，增强了H+-SOFC的电化学性能，导致极化电阻很小，图1.3（d）为反应过程示意图。实际上，由于复合阴极的导电性质，也可以视作是电子和质子的混合导电体。然而，复合阴极考虑到材料的兼容性，极有可能互相发生反应，并且还限制氧还原活性位点[9-11]。近年来三相导电(H+/O2/e)材料被人们提出来用来替代复合电极[12]，如BaZr0.1Co0.4Fe0.4Y0.1O3-δ和NdBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ[13],但这种类型的电极含有Co元素，成本高而且热膨胀系数也高。因此，开发高性能的无钴离子阴极材料用于H+-SOFC是一项很大的挑战。在2010年Liu等人首次提出Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFM)作为无钴混合离子导电的阴极材料，在氧化还原条件下，具有良好的电化学活性和稳定性。最近，AnaB.等人通过第一性原理计算（DFT）报道了SFM通过a位点掺杂离子半径较大的阳离子[12]，如Ba2+或K+，构成Sr1.75K0.25Fe1.5Mo0.5O6-δ或Sr1.75Ba0.25Fe1.5Mo0.5O6-δ阴极材料，具有三重导电性能，能够促进质子的迁移。图1.3不同阴极材料反应过程示意图
本文编号：3326630
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
H2作为燃料O-SOFC的工作原理示意图
第一章前言4图1.2H2作为燃料H+-SOFC的工作原理示意1.2.3质子传导机制钙钛矿型（ABO3）质子导体，是以质子为载流体，因其在中温下具有低的活化能和高的质子电导率而受到普遍关注。1981年H.Iwahara等人报道了SrCeO3基材料在高温下的氢气环境中或水的环境具有极好质子导电性[3]。材料中质子缺陷的形成，是因为在钙钛矿材料中，通过掺杂产生氧空位，在氢气或水蒸气条件下，水分解成一个OH和一个质子，OH填补了氧化物离子的空位，而质子与晶格氧形成共价键，形成两个带正电荷的质子缺陷(OOH)，这个反应表示为：22()OOOHOOVOH质子传导的过程很复杂，它的传导机制有多种说法，目前Grotthuss机制扩散普遍被人们接受。在钙钛矿氧化物中，质子可以通过与氧结合形成质子缺陷(OOH)，并通过Grotthuss机制扩散，其过程如下：(1)质子掺入；(2)旋转扩散；(3)向邻近氧的转移。在H+-SOFC的电解质材料中，掺杂BaCeO3和BaZrO3材料因其快速的质子传输而被认为是两个最有前途的H+-SOFC应用材料。BaCeO3基材料具有高导电性，但稳定性有限，特别是在含有水蒸汽或二氧化碳的环境中[4,5]。BaZrO3电解
第一章前言6mWcm-2的峰值功率密度。Sr2Fe1.5Mo0.5O3-δ(SFM)-BZCY复合作为复合阴极材料，在800°C时取得了396mWcm-2的峰值功率密度。复合阴极材料反应时，三相界面被延伸到整个阴极界面，这极大地促进了质子和氧的传递和反应，增强了H+-SOFC的电化学性能，导致极化电阻很小，图1.3（d）为反应过程示意图。实际上，由于复合阴极的导电性质，也可以视作是电子和质子的混合导电体。然而，复合阴极考虑到材料的兼容性，极有可能互相发生反应，并且还限制氧还原活性位点[9-11]。近年来三相导电(H+/O2/e)材料被人们提出来用来替代复合电极[12]，如BaZr0.1Co0.4Fe0.4Y0.1O3-δ和NdBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ[13],但这种类型的电极含有Co元素，成本高而且热膨胀系数也高。因此，开发高性能的无钴离子阴极材料用于H+-SOFC是一项很大的挑战。在2010年Liu等人首次提出Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFM)作为无钴混合离子导电的阴极材料，在氧化还原条件下，具有良好的电化学活性和稳定性。最近，AnaB.等人通过第一性原理计算（DFT）报道了SFM通过a位点掺杂离子半径较大的阳离子[12]，如Ba2+或K+，构成Sr1.75K0.25Fe1.5Mo0.5O6-δ或Sr1.75Ba0.25Fe1.5Mo0.5O6-δ阴极材料，具有三重导电性能，能够促进质子的迁移。图1.3不同阴极材料反应过程示意图
本文编号：3326630
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