质子导体基中温固体氧化物燃料电池阴极的制备与研究

发布时间：2017-12-29 13:30

本文关键词：质子导体基中温固体氧化物燃料电池阴极的制备与研究　出处：《中国科学技术大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：能源和环保问题是地球可持续发展所面临的重大挑战。固体氧化物燃料电池(SOFCs)是能够将化学能直接转化为电能的电化学装置,具有能源转化率高,环境友好,结构简单等优点。传统的固体氧化物燃料电池操作温度较高,会带来电极的烧结、界面扩散等问题,因此降低燃料电池的操作温度是其发展的迫切需求。其中以质子导体为电解质的SOFCs是实现燃料电池中低温化的重要途径,而发展与质子导体电解质相匹配的阴极材料也尤为重要。本论文围绕质子导体基SOFCs的高性能阴极材料开发进行了研究工作。论文的第一章,对燃料电池基本概念、原理、研究进展和应用前景作了简单介绍,重点阐述了质子导体固体氧化物燃料电池的核心电解质材料以及燃料电池的阴极材料。第二章研究了 Fe和Bi共掺的铈酸钡作为质子导体基SOFCs阴极的电化学性能。实验通过燃烧法制备了 BaCe0.5Fe0.5-xBixO3-δ(x=0.1,0.2,0.3)粉体,使用X射线衍射表征其相结构发现BaCe0.5Fe0.3Bi0.2O3-δ和BaCe0.5Fe0.2Bi0.3O3-δ都是单相的正交晶系钙钛矿结构,而BaCe0.5Fe0.4Bi0.1O3-δ则是立方钙钛矿结构和正交钙钛矿结构的复合。三种阴极材料作用于添加功能层的NiO-BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δBaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ(BZCY)半电池上,发现其中 BaCe0.5Fe0.3Bi0.2O3-δ体系有最高的功率密度,在700℃时为736mWcm-2,极化电阻只有0.1Ωcm2,并具有较好的稳定性。考虑到BaCe0.5Fe0.3Bi0.2O3-δ同时具有质子,电子以及氧离子导电,大大增加阴极材料的活性区域,同时阴极结构与电解质材料相同,在化学相容性及热匹配方面具有明显的优势,且不含钴元素,稳定性较好,使其成为有应用潜力的质子导体基固体氧化物燃料电池阴极材料。第三章介绍了静电纺丝技术制备固体氧化物燃料电池阴极材料。实验中通过静电纺丝制备了形貌光滑均一的La0.7Sr0.3Fe03-δ(LSF)纳米纤维,经800℃煅烧后制备LSF纳米阴极并用于质子导体基燃料电池。SEM显示阴极形貌为短纤维相互交织的网络状结构。单电池的电化学性能测试表明纤维状LSF阴极具有较高的电催化活性和较低的极化电阻,在700℃下单电池的最大功率密度为563 mWcrn-2,极化电阻为 0.15Ωcm2。第四章研究了 B位掺杂的铁酸钡阴极材料-BaFe0.8Bi0.203-δ。实验通过柠檬酸盐-硝酸盐燃烧法得到了单相BaFe0.8Bi0.2O3-δ,表明铁酸钡材料通过B位的掺杂能够获得在室温下稳定的立方钙钛矿结构。此阴极应用在BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ基质子导体SOFCs上,获得了优异的功率输出性能,单电池在700℃下最大功率密度达821mWcm-2,极化电阻为O.IΩcm2,表明BaFe0.8Bi0.2O3-δ阴极在质子导体基SOFCs上有很好的应用前景。第五章中对全篇论文进行了总结概况,并对质子导体基燃料电池今后可开展的研究工作做了个人展望。
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【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】：2017
【分类号】：TM911.4

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