RP型LaPrNiO阴极在改进的GDC电解质上的电化学性能研究

发布时间：2017-07-20 07:01

  本文关键词：RP型LaPrNiO阴极在改进的GDC电解质上的电化学性能研究

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【摘要】：阴极与电解质作为固体氧化物燃料电池(SOFC)的重要组成部分,其性能的优劣对SOFC有着很大的影响。最近被称为Ruddlesden Popper(简称RP)型层状钙钛矿结构的阴极材料,以其在中温区具有较高的离子电导率、高的氧扩散能力与表面交换能力而被人们所重视,成为中温SOFC(IT-SOFC)最具潜力的阴极材料之一。Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC)由于其在中温具有较高的离子电导率,而且与RP型阴极材料热匹配度较高,常被选用作为电解质材料。但是商业GDC粉中存在SiO2杂质极大的影响着晶界电阻,导致性能下降,研究表明加入适量的Fe2O3可有效地清除SiO2,但是与此同时带来的影响是极化电阻会变大,表面性能变差,这对阴极材料的研究极为不利。本文对商业GDC电解质表面性能进行改善,并对La3Ni2O7材料的A位掺杂Pr得到RP结构LaPrNiO阴极,并且将GDC与RP结构阴极结合,以期望得到较高的电池性能。首先,对添加Fe2O3的GDC电解质的性能研究,发现在高温烧结1400 oC的过程中,Fe2O3与SiO2反应生成Fe2SiO4,由于其熔点低于1400 oC,高温下溶融并会在GDC电解质的表面析出,严重影响GDC表面以及电极的性能;将GDC电解质的两个表面分别覆盖一个Al2O3板,以便于除去在表面析出的Fe2SiO4,使得电极与电解质能够更加良好的接触,从而使得GDC电解质的电化学性能得到改善,GDC电解质极化阻抗减小50%左右,从而制备出高性能的GDC电解质。其次,采用溶胶-凝胶(sol-gel)法合成La3-x PrxNi2O7(x=0.0-3.0)系列阴极材料,物相分析发现随Pr掺杂量的增多,晶体结构由La3Ni2O7转变成Pr2NiO4。直流四端法进行的高温电导率测试表明,当少量的Pr(x=0.4)掺杂时电导率最高,其最大值为70 Scm-1。当Pr含量增加到x=2.2时晶体结构发生转变,导致电导率比La3Ni2O7结构最大值下降近50%;进行Arrhenius图拟合,发现低温区接近线性,符合小极化子导电机制。热膨胀测试分析表明,La3Ni2O7结构具有与GDC最相近的热膨胀系数(TEC)。以改进后的GDC为电解质对La3-x PrxNi2O7阴极材料进行半电池测试,其中阻抗谱测试结果表明,当Pr的掺杂量x=1.0时,得到La3Ni2O7结构中最小的极化阻抗,800 oC下极化阻抗为0.22Ωcm2;进行不同氧分压下的阻抗谱分析,可知影响电极过程的主要是三相反应区(TPB)内电荷的转移过程;极化曲线测试发现,Pr含量越多同一过电位下电流密度越大,在所成La3Ni2O7结构中Pr的掺杂量x=1.0时,0.1 V的过电位下电流密度为260 mAcm-2,进行半电池的横截面测试发现电极与电解质接触良好,并且每个比例的阴极厚度基本相同,说明电化学性能测试基本真实有效。最后,由于La2Pr Ni2O7阴极在La3Ni2O7结构下具有最优的电化学性能,以Ni-GDC为阳极、La2PrNi2O7为阴极、以改进性能后的GDC为电解质制成电解质支撑型单电池,测试出电池的开路电压在0.8-0.9 V左右,输出最大功率密度在800 o C时达到223 mWcm-2。综上所述,La2PrNi2O7阴极用在改进性能后的GDC电解质上,具有La3Ni2O7结构中最优的电化学性能,极化阻抗相比La3Ni2O7减小60%,在电极反应中的控制步骤是TPB内电荷转移过程,为了进一步提高性能还需要对材料的离子电导率进行改善。
【关键词】：La_3Ni_2O_7 GDC电解质 Ruddlesden Popper 电化学性能 中温SOFC
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 燃料电池简述10-12
• 1.2 SOFC介绍12-14
• 1.2.1 SOFC工作原理12-13
• 1.2.2 SOFC组成部分13-14
• 1.3 SOFC阴极材料14-19
• 1.3.1 SOFC阴极反应机制14-16
• 1.3.2 SOFC阴极发展现状16-17
• 1.3.3 RP型层状钙钛矿阴极17-19
• 1.4 SOFC电解质材料19-20
• 1.5 论文研究的内容与意义20-23
• 1.5.1 论文研究的意义20-21
• 1.5.2 论文研究的主要内容21-23
• 第2章 Fe_2O_3的添加对GDC电解质的性能影响研究23-35
• 2.1 概述23
• 2.2 Fe_2O_3添加GDC电解质中对阻抗性能的影响23-25
• 2.3 表面含Fe氧化物的析出对GDC电解质性能的影响25-27
• 2.4 清除GDC表面析出含Fe氧化物方法的研究27-33
• 2.4.1 几种清除GDC表面析出含Fe氧化物的方法27-31
• 2.4.2 压Al_2O_3板烧结的GDC电解质具体制备过程31-32
• 2.4.3 压Al_2O_3板烧结的GDC交流阻抗谱测试32-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第3章 LaPr NiO阴极材料的制备与物性研究35-45
• 3.1 简述35
• 3.2 RP型LaPrNiO阴极材料的制备35-36
• 3.3 LPNx阴极材料的物相分析36-38
• 3.4 LPNx阴极材料的微观结构分析38-39
• 3.5 LPNx阴极材料高温电导率的研究39-42
• 3.6 LPNx阴极材料热膨胀性能的研究42-44
• 3.7 本章小结44-45
• 第4章 LaPr NiO阴极材料的电化学性能研究45-62
• 4.1 简述45
• 4.2 半电池的制备45-46
• 4.2.1 对称电极的制备方法45
• 4.2.2 三电极的制备方法45-46
• 4.3 半电池实验的测试方法46
• 4.3.1 交流阻抗谱测试46
• 4.3.2 极化曲线测试46
• 4.4 半电池测试结果分析46-58
• 4.4.1 La_(3-x)Pr_xNi_2O_7阴极的电化学性能测试46-51
• 4.4.2 不同氧分压下的阻抗谱51-55
• 4.4.3 不同Pr掺杂量下的极化曲线测试55-57
• 4.4.4 电极的微观结构测试57-58
• 4.5 单电池的制备与测试分析58-61
• 4.6 本章小结61-62
• 结论62-64
• 参考文献64-69
• 致谢69

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