低温固体氧化物燃料电池复合电解质性能优化

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、清洁的发电装置，被认为是二十一世纪最具有发展前景的发电装置。低温化是 SOFC发展的必然趋势，其关键在于开发低温(400-600℃)环境下具有优良性能的电解质材料。氧化物、二元碳酸盐复合电解质在400-600℃范围内表现出较高的离子电导率，近年来得到了广泛的研究。然而，碳酸盐掺杂的复合电解质依然存在诸多缺点，如碳酸盐的掺杂明显降低了电池的机械强度，电池在高温环境下操作时容易变形甚至漏气，严重影响电池输出性能和寿命。为了进一步提高碳酸盐掺杂的复合电解质的电导率、稳定性和机械强度，本文通过掺杂绝缘相 MgO，针对 La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85-MgO-碳酸盐复合电解质的电化学性能、稳定性以及机械性能进行了研究。
　　1.本文通过聚丙烯酰胺溶胶凝胶法合成La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85(LSGM)初级粉体，经900℃煅烧4h以后，与二元碳酸盐(52Li2CO3:48Na2CO3)和绝缘相 MgO(国药)混合，形成不同配比的 LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3复合电解质粉体。通过XRD、SEM、EIS、TG-DTA、TEC、BET和抗弯强度测试，分析复合电解质的材料结构和电化学性能。实验结果表明，LSGM、碳酸盐、MgO三相可以稳定共存，且随着 MgO含量的增加，复合电解质的电导率呈先增加后降低的规律，MgO含量为2 wt％时，复合电解质的电导率达到最大值，650℃时达0.17 S·cm-1，相较未添加MgO的复合电解质，其电导率提高了15%。同时，复合电解质的抗弯强度随MgO含量的增加呈线性增加。本实验采用干压成型的方法，制备了 LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3复合电解质的单电池。不同配比的 LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3复合电解质的单电池在低温输出性能良好，复合电解质中MgO含量为2 wt%时单电池性能最高，600℃和500℃时最高功率密度分别为590 mW·cm-2、380 mW·cm-2，各复合电解质燃料电池开路电压均在0.95V以上。
　　2.考察不同MgO含量对LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3复合电解质稳定性的影响。经过600℃、200h热处理，LSGM、MgO和(Li/Na)2CO3三相稳定共存，当MgO的掺杂量为2 wt%时，LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3复合电解质相结构最稳定。分别将未掺杂MgO的LSGM-(Li/Na)2CO3复合电解质和MgO含量为2 wt%的LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3复合电解质干压成片，在空气气氛下、室温-600℃进行20次共200h的热循环测试。结果发现，未掺杂MgO的 LSGM-(Li/Na)2CO3复合电解质的电导率由原来的0.118 S·cm-1降低到0.071 S·cm-1，电导率损失40%。MgO含量为2 wt%的LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3复合电解质电导率由原来的0.131 S·cm-1降低到0.081 S·cm-1，电导率损失36%，在整个的测试过程中MgO含量为2 wt%的LSGM-MgO(Li/Na)2CO3复合电解质的电导率始终大于未掺杂 MgO的LSGM-(Li/Na)2CO3复合电解质的电导率。复合电解质能够在一个较长的时间内保持稳定，600℃、200h的电导率基本保持在0.08 S·cm-1。
　　3.通过均匀沉淀法合成了纳米MgO(2)粉体，讨论不同颗粒尺寸的MgO对复合电解质形貌和电导率的影响。均匀沉淀法合成的纳米MgO(2)粉体粒径略小于的MgO(1)，且MgO(2)对复合电解质电导率的提高更明显。
　　通过本论文研究，证实 MgO可以作为 LSGM-碳酸盐体系复合电解质的稳定添加剂。MgO的添加不仅降低了复合电解质中LSGM的用量，尤其是Ga和La等贵金属元素，降低了燃料电池的成本，而且有效地提高了复合电解质及燃料电池的整体性能和机械强度。

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第一章 绪 论

1.1引言

1.2燃料电池简介

1.3 燃料电池概述

1.4 固体氧化物燃料电池关键材料

1.5 固体氧化物燃料电池发展现状与趋势

1.6 研究意义及主要内容

第二章 LSGM-MgO-碳酸盐复合电解质的结构与性能研究

2.1引言

2.2实验方法

2.3结果与讨论

2.4小结

第三章 LSGM-MgO-碳酸盐复合电解质的稳定性研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 MgO的形貌对LSGM-MgO-碳酸盐复合电解质

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

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