高性能质子导体基固体氧化物燃料电池新型阴极材料及其电化学研究
发布时间：2021-01-16 09:55
能源短缺和环境污染是阻碍人类发展的两个重大挑战[1]。与传统的火力发电厂相比,固体氧化物燃料电池（SOFCs）具有高的能量转换效率、燃料灵活性、低排放等优点。然而,氧离子导体基SOFCs高的运行温度导致电池长期稳定性的降低是阻碍其商业化发展的重要原因。因此降低SOFCs的运行温度是促进其商业化发展的迫切需求。质子导体基SOFCs由于其在中低温下优异的性能输出,成为了研究学者解决氧离子导体基SOFCs高运行温度的重要途径之一。本论文围绕质子导体基固体氧化物燃料电池（H-SOFCs）进行了一系列新型阴极材料的设计及其电化学性能表征等研究工作。论文的第一章,简单阐述了该论文的研究背景,质子导体基SOFCs的概念、原理、研究进展等。同时,对质子导体基SOFCs的电解质材料、阴极材料及反应动力学等进行了重点论述。论文第二章探索了一种新型的无钴阴极Ba0.95Ca0.05Fe0.9-xSnxY0.1O3-δ-SDC（x<=0.1）。在这里,它首次应用于质子导体基固体氧化物燃料电池。我们研究了Sn掺杂量对材料的相结构、电导率、热膨胀系数（TEC）和电化学性能的影响。TEC数据表明,掺杂Sn可以...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１质子导体基ＳＯＦＣｓ基本结构与工作原理示意图??
图２．２具有Ｂａ０．９５Ｃａ０．０５Ｆｅ０．８５Ｓｎ０．ＭＹ０．丨Ｏｗ－ＳＤＣ阴极的电池的ＳＥＭ图像：（ａ）单电池的横截面??形态，（ｂ）电解质的表面截面形态，（ｃ）测试后阴极的表面形貌。??图２．２显示具有ＮｉＯ－ＢａＺｒａｉＣｅ０．７Ｙ０２Ｏ３＿ａ?（ＮｉＯ－ＢＺＣＹ７）?｜?ＢａＺｒ０１Ｃｅ０７Ｙ０．２〇３￣ｓ??（ＢＺＣＹ７）丨Ｂａ〇．９５Ｃａａ〇５Ｆｅ〇．８５Ｓｎ〇．〇５Ｙ〇．丨ＯｗＳＤＣ结构的单电池的扫描电镜图。在图??２（ａ）中，我们可以看到电解质与电极之间存在很好的界面结合。电解质致密的??表面形貌如图２．２（ｂ）所示，这对提高开路电压和电池性能均十分有利。图２．２（ｃ）显??示了阴极的微观结构。图中所呈现出的这种多孔的阴极结构便于氧气的输送。此??外，阴极的粒径小，有利于增加阴极的反应位点。??２．３．２电导率??电导率反映了阴极材料收集电流的能力。Ｂａ〇．９５Ｃａ〇．Ｑ５ＦｅＧ９＿ｘＳｎｘＹＱ．丨０３＿５的电导??率与温度之间的关系如图２．３所不。可以看出８８〇．９５。３〇．（）５？６（）．９＾§１１）（丫（）．１〇＾８样品的电??导率随着温度的升高呈现出先增加后降低的趋势。这于先前研究的ＢａＦｅ０３＿８基材??料的电导率与温度之间的关系保持一致［１７，?１８］。此外，我们应该注意到随着Ｓｎ??含量的增加，电导率下降。在ＢａＦｅ０３＿ｇ材料中，电子电导主要由Ｆｅ－Ｏ－Ｆｅ中Ｐ型小??极化子的跳跃决定。Ｓｎ的掺杂导致Ｆｅ－０－Ｆｅ之间的距离增加，这增加了Ｐ型小极化??子在Ｆｅ－０－Ｆｅ中跳跃的难度。因此，Ｓｎ的掺杂会使得材料的电导率下降。??２１??
于含钴阴极的电池，如ＳＳＣ－ＳＤＣ?（６６５?ｍＷ?ｃｍ—２?ａｔ?７００°Ｃ）?［２５］。结果表明，在??ＢａＦｅＯｗ基阴极材料的Ａ位掺杂５％Ｃａ２＋，Ｂ位掺杂少量锡，以及１０％Ｙ３＋后，电池??的功率密度得到了有效提高。图２．５（ｂ）给出了以Ｂａ〇．９５Ｃａ〇〇５Ｆｅ〇８５ＳｎａＧ５Ｙ〇丨ＯｙＳＤＣ??为阴极的单电池在５５０°Ｃ－７００°Ｃ下测得的单电池的／－＿／－／＞曲线，从图中可以看出??在５５０°Ｃ，?６００°Ｃ，?６５０°Ｃ和７００°Ｃ下，电池的最大功率分别为３０３，?５０５，?８０７，?９４９?ｍＷ??ｃｍ＇不同Ｓｎ含量的单电池的ＭＰＤｓ和ＯＣＶｓ数据如表２．２所示。从表２．２可以看出，??在相同的测试温度下，具有Ｂａ〇．９５Ｃａ〇．Ｑ５Ｆｅ〇．９＿ｘＳｎｘＹａ丨０３＿ｓ－ＳＤＣ阴极的单电池，相??对于具有Ｂａ〇．９５Ｃａ〇，（）５Ｆｅａ９Ｙａ丨ＯｙＳＤＣ阴极的单电池，其功率密度有显着增加，表??明Ｓｎ的掺杂有利于材料催化活性的增加。实验结果表明??Ｂａ＾Ｃａ＾Ｆｅｏ．ｓｓＳｎｏ．ｏｓＹｗＯｙＳＤＣ?是?Ｈ－ＳＯＦＣｓ?潜在的阴极候选材料。??ｒＡａ?－１〇〇＜
【参考文献】：
期刊论文
[1]镨掺杂对无钴钙钛矿型氧化物BaFeO3-δ电导率和透氧性能的影响（英文）[J]. 魏邦争,王语,刘梦,徐晨曦,程继贵. Chinese Journal of Chemical Physics. 2018(02)
本文编号：2980615
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１质子导体基ＳＯＦＣｓ基本结构与工作原理示意图??
图２．２具有Ｂａ０．９５Ｃａ０．０５Ｆｅ０．８５Ｓｎ０．ＭＹ０．丨Ｏｗ－ＳＤＣ阴极的电池的ＳＥＭ图像：（ａ）单电池的横截面??形态，（ｂ）电解质的表面截面形态，（ｃ）测试后阴极的表面形貌。??图２．２显示具有ＮｉＯ－ＢａＺｒａｉＣｅ０．７Ｙ０２Ｏ３＿ａ?（ＮｉＯ－ＢＺＣＹ７）?｜?ＢａＺｒ０１Ｃｅ０７Ｙ０．２〇３￣ｓ??（ＢＺＣＹ７）丨Ｂａ〇．９５Ｃａａ〇５Ｆｅ〇．８５Ｓｎ〇．〇５Ｙ〇．丨ＯｗＳＤＣ结构的单电池的扫描电镜图。在图??２（ａ）中，我们可以看到电解质与电极之间存在很好的界面结合。电解质致密的??表面形貌如图２．２（ｂ）所示，这对提高开路电压和电池性能均十分有利。图２．２（ｃ）显??示了阴极的微观结构。图中所呈现出的这种多孔的阴极结构便于氧气的输送。此??外，阴极的粒径小，有利于增加阴极的反应位点。??２．３．２电导率??电导率反映了阴极材料收集电流的能力。Ｂａ〇．９５Ｃａ〇．Ｑ５ＦｅＧ９＿ｘＳｎｘＹＱ．丨０３＿５的电导??率与温度之间的关系如图２．３所不。可以看出８８〇．９５。３〇．（）５？６（）．９＾§１１）（丫（）．１〇＾８样品的电??导率随着温度的升高呈现出先增加后降低的趋势。这于先前研究的ＢａＦｅ０３＿８基材??料的电导率与温度之间的关系保持一致［１７，?１８］。此外，我们应该注意到随着Ｓｎ??含量的增加，电导率下降。在ＢａＦｅ０３＿ｇ材料中，电子电导主要由Ｆｅ－Ｏ－Ｆｅ中Ｐ型小??极化子的跳跃决定。Ｓｎ的掺杂导致Ｆｅ－０－Ｆｅ之间的距离增加，这增加了Ｐ型小极化??子在Ｆｅ－０－Ｆｅ中跳跃的难度。因此，Ｓｎ的掺杂会使得材料的电导率下降。??２１??
于含钴阴极的电池，如ＳＳＣ－ＳＤＣ?（６６５?ｍＷ?ｃｍ—２?ａｔ?７００°Ｃ）?［２５］。结果表明，在??ＢａＦｅＯｗ基阴极材料的Ａ位掺杂５％Ｃａ２＋，Ｂ位掺杂少量锡，以及１０％Ｙ３＋后，电池??的功率密度得到了有效提高。图２．５（ｂ）给出了以Ｂａ〇．９５Ｃａ〇〇５Ｆｅ〇８５ＳｎａＧ５Ｙ〇丨ＯｙＳＤＣ??为阴极的单电池在５５０°Ｃ－７００°Ｃ下测得的单电池的／－＿／－／＞曲线，从图中可以看出??在５５０°Ｃ，?６００°Ｃ，?６５０°Ｃ和７００°Ｃ下，电池的最大功率分别为３０３，?５０５，?８０７，?９４９?ｍＷ??ｃｍ＇不同Ｓｎ含量的单电池的ＭＰＤｓ和ＯＣＶｓ数据如表２．２所示。从表２．２可以看出，??在相同的测试温度下，具有Ｂａ〇．９５Ｃａ〇．Ｑ５Ｆｅ〇．９＿ｘＳｎｘＹａ丨０３＿ｓ－ＳＤＣ阴极的单电池，相??对于具有Ｂａ〇．９５Ｃａ〇，（）５Ｆｅａ９Ｙａ丨ＯｙＳＤＣ阴极的单电池，其功率密度有显着增加，表??明Ｓｎ的掺杂有利于材料催化活性的增加。实验结果表明??Ｂａ＾Ｃａ＾Ｆｅｏ．ｓｓＳｎｏ．ｏｓＹｗＯｙＳＤＣ?是?Ｈ－ＳＯＦＣｓ?潜在的阴极候选材料。??ｒＡａ?－１〇〇＜
【参考文献】：
期刊论文
[1]镨掺杂对无钴钙钛矿型氧化物BaFeO3-δ电导率和透氧性能的影响（英文）[J]. 魏邦争,王语,刘梦,徐晨曦,程继贵. Chinese Journal of Chemical Physics. 2018(02)
本文编号：2980615
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