低温固体氧化物燃料电池复合电解质和阴极材料的研究

发布时间：2017-09-02 04:10

  本文关键词：低温固体氧化物燃料电池复合电解质和阴极材料的研究

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【摘要】：作为一种高效的能源转换装置,固体氧化物燃料电池(SOFC)因具有高效率、环境友好和燃料灵活等优点得到广泛关注。然而较高的操作温度限制了它的应用,因此降低操作温度成为一个研究热点。而操作温度的降低给电解质的电导率和电极催化活性提出了新的要求。针对这一问题,本文分别研究了碳酸盐含量对Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)-碳酸盐复合电解质的影响、以及Ag含量对Pr2NiO4(PNO)-Ag复合阴极的影响。采用共沉淀法制备SDC,与不同含量的(Li/Na)2CO3(Li:Na(摩尔比)=52:48)固相复合,分别制备得到了碳酸盐含量为1~40 wt%的复合电解质材料。碳酸盐的加入能够有效提升材料电导率、抑制SDC颗粒的长大并且降低材料的烧结温度。其中含20 wt%碳酸盐的复合材料表现出最优的微观形貌、电导率(575 oC下0.51 S cm-1)和功率输出性能。以其为电解质的单电池在600oC下最大功率密度接近700 mW cm-2。采用共沉淀法制备Pr2NiO4(PNO)前驱体,调控不同的煅烧工艺(1000 oC(3 h)、1000oC(5 h)、1200oC(5 h))制备了系列的PNO样品,只有在1200oC煅烧5 h才能获得K2NiF4晶型的PNO。分别采用浸渍法、固相法和冷冻干燥法制备PNO-Ag复合材料,其中浸渍法制备的材料颗粒最小、团聚最少、Ag颗粒分布最均匀并且将其用作电极材料组装的对称电池表现出最小的极化面阻抗(ASR)(1.24Ωcm2,600 C)。另外,研究了Ag含量对阴极性能的影响,随着Ag含量的增加,ASR先降低后增大。其中含量为15 wt%的材料表现出最小的ASR,在600oC时为0.45Ωcm2,说明该材料对中低温固体氧化物燃料电池的阴极氧气还原有良好的催化性能。将PNO-15 wt%Ag作为阴极催化剂的单电池在600 oC得到的最大功率密度为710 mW cm-2。
【关键词】：低温固体氧化物燃料电池 复合电解质 阴极 Sm0.2Ce0.8O1.9-(Li/Na)2CO3 Pr2NiO4 Ag
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-26
• 1.1 燃料电池9-11
• 1.1.1 燃料电池简介9-10
• 1.1.2 燃料电池的分类10-11
• 1.2 SOFC11-13
• 1.2.1 发展背景11
• 1.2.2 工作原理11-13
• 1.2.3 应用前景13
• 1.3 SOFC关键材料13-21
• 1.3.1 电极14-16
• 1.3.2 电解质16-21
• 1.4 SOFC的发展趋势21-24
• 1.4.1 中低温操作21-23
• 1.4.2 碳氢燃料的使用23
• 1.4.3 单部件燃料电池23-24
• 1.5 课题的提出和研究内容24-26
• 第二章 材料制备与表征26-34
• 2.1 实验材料和设备26-27
• 2.2 复合电解质的制备27
• 2.3 电极的制备27-29
• 2.3.1 阳极催化剂的制备27-28
• 2.3.2 阴极催化剂的制备28-29
• 2.4 单电池的制备29
• 2.5 材料的表征手段29-31
• 2.5.1 热重分析30
• 2.5.2 X射线衍射分析30
• 2.5.3 扫描电子显微镜30
• 2.5.4 烧结体的密度30-31
• 2.6 电化学性能测试31-34
• 2.6.1 电化学阻抗谱测试31-33
• 2.6.2 电池功率密度输出测试33-34
• 第三章 SDC-碳酸盐复合电解质的制备与研究34-45
• 3.1 前言34-35
• 3.2 结果与讨论35-44
• 3.2.1 样品晶相与形貌分析35-40
• 3.2.2 电导率测试40-42
• 3.2.3 电池性能测试42-44
• 3.3 小结44-45
• 第四章 PNO-Ag复合阴极的制备与电化学性能研究45-55
• 4.1 前言45-46
• 4.2 结果与讨论46-53
• 4.2.1 热重分析46-47
• 4.2.2 晶体结构与形貌47-50
• 4.2.3 电化学阻抗分析50-52
• 4.2.4 电池性能测试52-53
• 4.3 小结53-55
• 第五章 结论55-56
• 参考文献56-67
• 发表论文67-68
• 致谢68-69

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