萤石结构和白钨矿型电解质材料的制备及性能研究
发布时间：2021-08-19 08:53
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）因具有能量转换效率高、污染少、对环境友好等优点被认为是21世纪的绿色能源。在SOFC的关键材料中,电解质材料是最核心的部分。传统的氧化钇稳定的氧化锆（yttria stabilized zirconia,YSZ）电解质,由于使用温度高（800℃以上）,会引起电解质老化、电极-电解质界面反应、电极烧结以及连接材料的选择等问题,从而限制了SOFC的发展和商业化运用。在对新型的电解质材料的研究中,掺杂萤石结构或白钨矿型氧化物因具有较高的离子电导率而被认为是有可能代替YSZ的新型电解质材料。Gd3+和Sm3+掺杂的CeO2（GDC和SDC）在中温范围内（500-700℃）具有较高的电导率而被广泛研究和应用;白钨矿型复合氧化物由于可观的离子电导且几乎不产生电子电导,也在近期引起了人们的广泛兴趣。本论文围绕萤石结构和白钨矿结构这两种体系材料的制备展开,研究其电性能并讨论其用作SOFC电解质材料的可能性。主要研究内容如下:详细研究了具有萤石结构的Gd3...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
燃料电池工作原理示意图
SOFC工作时,阳极侧产生的电子由经外电路流向阴极,而氧离子(O2-)则经过致密的电解质由阴极流向阳极,在阳极形成产物水。图1.2是SOFC的工作原理示意图。SOFC电池工作时,输送至阴极的氧气被还原成氧离子,氧离子从阴极经电解质传导到阳极,在阳极发生燃料气的氧化,与经电解质传导过来的氧离子结合生成水,同时释放电子,电子由阳极经外电路负载到达阴极。以H2和CO混合物为燃料气体时,SOFC的电池反应为:
固体氧化物燃料电池有四个基本结构:电解质、阴极,阳极和连接材料,管式SOFC还有一个额外的结构——电池连接件,这些组件的材料都是陶瓷或金属。电解质的功能是在氧分压梯度下连续地从阴极到阳极输送氧气。为了能够有O2-离子迁移跨越电解质,阴极必须将O2转化成不停的供应氧气,这个过程通常被称为氧还原。同样的,阳极的氢或碳氢化合物燃料接受电解质传递过来的O2-,通过反应生成H2O、CO2和电子。阴极反应所需的电子由阳极产生并通过外部负载到达阴极,由此实现发电。图1.3是一种管式固体氧化物燃料电池示意图。管状SOFC的单电池组装简单,高温密封方面技术成熟、难度不大;管状SOFC电池组由管状单电池组装起来,每个单电池通过并联和串连方式连接在一起,从而实现规模发电。早期的管式SOFC的重叠元件,即电极、电解质、连接材料沉积在以微孔氧化钙稳定氧化锆为主要成分的支撑管上。这种设计思路是单电池沿支撑管排列,然后以陶瓷连接材料串联。还有一种管式SOFC的设计称为“套管型”,此种管型性电池可以一个个结成长管。美国的西门子-西屋(Simens-Westinghouse)电气公司很早就开始了管状结构SOFC的开发工作,其电池组的设计如下图所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sc2O3对ZrO2电解质烧结和电导率的影响研究[J]. 彭军,荣爽,安胜利,甄兴,薛长旭,翟仲馨. 稀土. 2016(05)
[2]固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展[J]. 任玉敏,杜泽学,宁珅. 电源技术. 2015(04)
[3]CeO2基体掺杂材料及其在SOFC中的应用[J]. 韩建华,张瑞雪,吴冰,见姬,李少华. 电源技术. 2014(11)
[4]织构化Mg掺杂磷灰石型硅酸镧电解质制备、结构及O2-导电性能[J]. 陈小卫,许飞,殷仕龙,李传明,汪镇涛,曾燕伟. 南京工业大学学报(自然科学版). 2014(05)
[5]溶胶凝胶法制备Ce0.8Y0.2-xCaxO2-δ电解质材料及其性能[J]. 田长安,季必发,吴凡,王军,谢劲松,尹奇异,鲍巍涛. 硅酸盐学报. 2014(01)
[6]CaO掺杂Bi2O3基电解质材料的改性研究[J]. 马金福,耿桂宏,卢勇军,陆彬,王军. 电源技术. 2013(10)
[7]CaWO4:Sm3+荧光粉的发光性质及其能量传递机理[J]. 毕长虹,孟庆裕. 物理学报. 2013(19)
[8]MgO或Fe2O3掺杂Ce0.8Nd0.2O1.9固体电解质的结构和电性能[J]. 刘建伟,周德凤,杨梅,罗飞,孟健. 物理化学学报. 2012(06)
[9]改进固相法制备钙钛矿结构La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ及其性质研究[J]. 赫文秀,安胜利,张永强,王亚雄,张金超. 稀土. 2011(05)
[10]低温固体氧化物燃料电池[J]. 章蕾,夏长荣. 化学进展. 2011(Z1)
博士论文
[1]氧化铈基中温固体氧化物燃料电池的阳极和电解质材料研究[D]. 刘张波.中国科学技术大学 2013
[2]中温固体氧化物燃料电池复合连接材料的制备与性能研究[D]. 丁岩芝.中国科学技术大学 2011
[3]掺杂氧化铈基中温固体氧化物燃料电池电解质材料的制备与表征[D]. 田瑞芬.中国科学技术大学 2009
本文编号：3351106
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
燃料电池工作原理示意图
SOFC工作时,阳极侧产生的电子由经外电路流向阴极,而氧离子(O2-)则经过致密的电解质由阴极流向阳极,在阳极形成产物水。图1.2是SOFC的工作原理示意图。SOFC电池工作时,输送至阴极的氧气被还原成氧离子,氧离子从阴极经电解质传导到阳极,在阳极发生燃料气的氧化,与经电解质传导过来的氧离子结合生成水,同时释放电子,电子由阳极经外电路负载到达阴极。以H2和CO混合物为燃料气体时,SOFC的电池反应为:
固体氧化物燃料电池有四个基本结构:电解质、阴极,阳极和连接材料,管式SOFC还有一个额外的结构——电池连接件,这些组件的材料都是陶瓷或金属。电解质的功能是在氧分压梯度下连续地从阴极到阳极输送氧气。为了能够有O2-离子迁移跨越电解质,阴极必须将O2转化成不停的供应氧气,这个过程通常被称为氧还原。同样的,阳极的氢或碳氢化合物燃料接受电解质传递过来的O2-,通过反应生成H2O、CO2和电子。阴极反应所需的电子由阳极产生并通过外部负载到达阴极,由此实现发电。图1.3是一种管式固体氧化物燃料电池示意图。管状SOFC的单电池组装简单,高温密封方面技术成熟、难度不大;管状SOFC电池组由管状单电池组装起来,每个单电池通过并联和串连方式连接在一起,从而实现规模发电。早期的管式SOFC的重叠元件,即电极、电解质、连接材料沉积在以微孔氧化钙稳定氧化锆为主要成分的支撑管上。这种设计思路是单电池沿支撑管排列,然后以陶瓷连接材料串联。还有一种管式SOFC的设计称为“套管型”,此种管型性电池可以一个个结成长管。美国的西门子-西屋(Simens-Westinghouse)电气公司很早就开始了管状结构SOFC的开发工作,其电池组的设计如下图所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sc2O3对ZrO2电解质烧结和电导率的影响研究[J]. 彭军,荣爽,安胜利,甄兴,薛长旭,翟仲馨. 稀土. 2016(05)
[2]固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展[J]. 任玉敏,杜泽学,宁珅. 电源技术. 2015(04)
[3]CeO2基体掺杂材料及其在SOFC中的应用[J]. 韩建华,张瑞雪,吴冰,见姬,李少华. 电源技术. 2014(11)
[4]织构化Mg掺杂磷灰石型硅酸镧电解质制备、结构及O2-导电性能[J]. 陈小卫,许飞,殷仕龙,李传明,汪镇涛,曾燕伟. 南京工业大学学报(自然科学版). 2014(05)
[5]溶胶凝胶法制备Ce0.8Y0.2-xCaxO2-δ电解质材料及其性能[J]. 田长安,季必发,吴凡,王军,谢劲松,尹奇异,鲍巍涛. 硅酸盐学报. 2014(01)
[6]CaO掺杂Bi2O3基电解质材料的改性研究[J]. 马金福,耿桂宏,卢勇军,陆彬,王军. 电源技术. 2013(10)
[7]CaWO4:Sm3+荧光粉的发光性质及其能量传递机理[J]. 毕长虹,孟庆裕. 物理学报. 2013(19)
[8]MgO或Fe2O3掺杂Ce0.8Nd0.2O1.9固体电解质的结构和电性能[J]. 刘建伟,周德凤,杨梅,罗飞,孟健. 物理化学学报. 2012(06)
[9]改进固相法制备钙钛矿结构La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ及其性质研究[J]. 赫文秀,安胜利,张永强,王亚雄,张金超. 稀土. 2011(05)
[10]低温固体氧化物燃料电池[J]. 章蕾,夏长荣. 化学进展. 2011(Z1)
博士论文
[1]氧化铈基中温固体氧化物燃料电池的阳极和电解质材料研究[D]. 刘张波.中国科学技术大学 2013
[2]中温固体氧化物燃料电池复合连接材料的制备与性能研究[D]. 丁岩芝.中国科学技术大学 2011
[3]掺杂氧化铈基中温固体氧化物燃料电池电解质材料的制备与表征[D]. 田瑞芬.中国科学技术大学 2009
本文编号：3351106
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