固体氧化物燃料电池的钴铁酸锶镧和镍酸镧的氧传输性能

发布时间：2020-06-14 18:01

【摘要】：当下,我国日常消耗的能源以煤炭、天然气、石油等化石能源为主。然而,这几类化石能源的大规模使用也带来了雾霾、酸雨、水体污染等诸多环境问题。因此,为了满足人民对“绿水青山”和“美好生活”的需求,我国不仅需要加快发展核能、风能、水电、太阳能等新能源来合理地调整能源结构,还需要发展燃料电池等新能源技术以提高能量的转换效率。固体氧化物燃料电池(SOFC)具有积木性强、高能量转换效率、适用燃料广、全固态组成、低内阻等诸多优势,因此其在能源转换领域的应用前景被众多研究者所看好。SOFC的理论能量转换率很高,但受固有内阻的影响,其能量转换率的实际值比理论值要小。因为SOFC的内阻主要包括阴极极化、阳极极化和电解质连接体等直流电阻,而阴极极化电阻贡献了 SOFC的极化阻抗的绝大部分,所以提高阴极性能,降低阴极极化电阻,就能够有效提高SOFC的效率。本工作从提升阴极材料性能的目的出发,以典型的SOFC阴极材料为研究对象,探索了钴铁酸锶镧的微结构与氧输运性能的关系并尝试开发了铋掺杂的镍酸镧这一阴极新材料。以下是本文的内容概要:第一章是绪论,着重介绍SOFC的基本概况和工作原理、研究中使用的部分分析手段的原理和论文的主要工作内容。第二章探究了影响钴铁酸锶镧的氧传输性能的因素。本文采用三种方法制备了 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)的粉体,用电导弛豫法(ECR)、扫描电镜(SEM)、比表面分析(BET)等手段表征了材料的相关性能,并通过控制样品的热处理程序,来研究影响LSCF的氧传输性能测量结果的因素。对不同粉体来源的样品进行相同温度的热处理后,发现测得的数据符合晶粒尺寸越大的样品氧传输性能越好的规律,从而证明了文献中提出的材料的晶粒尺寸会影响材料的氧传输性能高低这一推论。对相同粉体来源的样品进行不同温度的热处理后,发现样品的平均晶粒粒径大小满足热处理温度越高则平均晶粒粒径越大的规律,但样品的氧传输性能变化并不完全符合平均晶粒粒径越大则样品的氧传输性能越好的规律。对这些样品进行面扫元素分析(SEM-mapping)后,发现对样品进行不同温度下的热处理温度会使得样品的表面元素分布发生改变,这一改变可能对样品的氧传输性能有所影响。综上所述,LSCF的氧传输性能的测量结果至少会受到样品的晶粒尺寸和元素分布的影响。第三章探索了铋掺杂的镍酸镧。采用柠檬酸-EDTA络合燃烧法,制得La1.75Sr0.25NiO4+δ(LSN)和 La1.65Bi0.1Sr0.5NiO4+δ(LSN-Bi)阴极粉体。实验结果显示,铋的掺杂使得LSN的起始烧结温度从1000 ℃降低到775 ℃左右,700℃时,可提高氧扩散系数约72.78%,提高表面交换系数约66.67%并降低界面极化阻抗到原值的七分之一。此外,XPS与碘滴定分析的结果显示铋的掺杂提高了 LSN间隙氧含量(δ值)和Ni的平均价态。这一变化会导致材料的载流子浓度增大,进而使材料的氧传输速率提升,最终改善了材料的电化学性能。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ133.3;TM911.4
【图文】：

示意图,传导型,氧离子,原理

氧离子传导型与质子传导型两大类。由于本研究使用的电解质是氧离子导体，所逡逑以此处采用氧离子传导型ＳＯＦＣ为例，来介绍ＳＯＦＣ的运行原理。逡逑图１．１是氧离子传导型ＳＯＦＣ的原理示意阁。不难看出，ＳＯＦＣ的结构类似逡逑一块三明治，由电解质、阳极和阴极三个部分叠加组成。逡逑在反应时，首先是氧气在多孔阴极上吸附，与外电路输送来的电子结合并解逡逑离成氧离子，阴极反应式为式１．１，这是典型的氧还原反应（ＯＲＲ）：逡逑０２＋４ｅ邋一２０２－逦＊逦（１．１）逡逑之后，氧离子被电解质输送到多孔阳极上，与燃料气（以丙烷为例）反应，逡逑释放出ｃｏ２、电子和水。最后，电子被外电路输运去阴极完成循环，阳极反应式逡逑为式１．２：逡逑Ｃ３Ｈ８＋ｌ00２＾４Ｈ２0＋３Ｃ０２＋２０ｅ＇逦（１．２）逡逑ＳＯＦＣ的总反应其实就是燃料气的氧化反应，总反应式为式１．３：逡逑Ｃ３Ｈｇ＋５０２－＞４Ｈ２０＋３Ｃ0２逦（１．３）逡逑２逡逑

电导率,掺杂离子,基材,活化能

逡逑图丨．３掺杂Ｙ２０３的Ｚｒ０２的晶胞结构图逡逑这类材料随掺杂离子的不同而表现出不同的电化学性能，比如图１．２就展现逡逑了在１０００邋°Ｃ时，Ｚｒ０２基材料的活化能与电导率受掺杂离子半径变化的影响。从逡逑图中可知，在相同的温度下，掺杂进Ｚｒ０２晶胞的离子的半径越接近Ｚｒ４＋，材料逡逑的电导率就越高，电导率最高的是Ｓｃ３＋掺杂的Ｚｒ０２邋（ＳＳＺ）邋［２７］。目前，Ｚｒ０２基逡逑材料中研宄最多也最典型的材料就是掺杂了邋８邋ｍｏｌ％的Ｙ２０ｊ＾Ｚｒ０２，其晶胞结逡逑构如图１．３中所示，为立方萤石结构，缺陷方程式见式１．４。该材料简称为８ＹＳＺ，逡逑在１０００邋°Ｃ时电导率有０．１６４邋Ｓ邋ｃｍ—１，到８００邋°Ｃ时电导率尚有０．０３６邋Ｓ邋ｃｍ—１，而且逡逑电子电导率极低［２８］。然而，８ＹＳＺ材料也有一些问题，比如温度低于８００邋°Ｃ的逡逑时候８ＹＳＺ的电导率会明显下降

【参考文献】