Er0.4Bi1.6O3/Sm0.2Ce0.8O1.9双层电解质中温固体氧化物燃料电池的制备及性能研究

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种清洁高效的能源转化装置,通过电化学的方法将化学能转化为电能。降低操作温度是 SOFCs的发展趋势之一,可以使用中低温下具有较高电导率的电解质来代替传统的 YSZ电解质。然而这些电解质如 SDC、ESB的稳定性较差,如何提高其使用的稳定性具有十分重要的意义。
　　本论文采用溶胶凝胶法制备了SDC电解质粉体,反向滴定共沉淀法制备了ESB电解质粉体。采用干压法制备SDC固体电解质片、NiO-SDC/SDC半电池,旋转涂布法制备 ESB电解质层,丝网印刷法制备不同比例复合的 Ag-ESB阴极对称电池。通过TG-DTA测试ESB前驱粉体的处理温度,利用XRD对粉体物相进行了分析,交流阻抗技术测定对称电池的极化电阻,I-V法研究电池的开路电压和输出性能,扫描电镜对电池的形貌和结构进行观察。
　　ESB前驱粉体的TG-DTA分析测试可知ESB前驱粉体在500℃处理即可成相,大大降低了粉体的处理温度和时间。XRD分析所制备的粉体均已形成所需的相,并无其它杂相。对称电极的交流阻抗测试表明ESB粉体与Ag2O2的质量比为5:5时界面极化电阻最小。SEM测试表明旋转涂布法制备的ESB电解质层致密性良好,与SDC电解质具有较好的热力学匹配性。电池性能测试表明ESB电解质的引入有效阻隔了铈基电解质在还原气氛下产生的电子电导,提高了开路电压,同时 Ag-ESB复合阴极的使用有效降低了阴极与电解质界面的极化电阻,二者的综合效应提高了电池的输出功率密度。不同厚度的ESB/SDC双层电解质电池的测试结果表明,开路电压(OCV)随着SDC电解质层厚度的增加而增加。SDC厚度为40mm时双层电解质电池(40SDC16ESB)的OCV最大,500℃时达到了0.95V。值得注意的是,电解质厚度的增加导致欧姆极化损失的增大,从而降低了电池的输出性能,尽管电池40SDC16ESB具有最高的开路电压,最大输出功率密度(MPD)却在 SDC电解质厚度为32mm时取得,650℃达到680mW/cm2。ESB/SDC电解质层的相对厚度仍需优化,从而得到更好的电池性能。
　　本论文尝试用原位复合的方法制备致密的ESB电解质层,电池性能有所提高,650℃时MPD可达510mW/cm2。SEM测试表明,用喷涂法制备的ESB电解质层不够致密,对铈基电解质还原产生的电子电导阻隔效果有限。经济有效的薄膜制备方法还需要进一步研究。

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1文献检索

1.1燃料电池简介

1.2固体氧化物燃料电池(SOFC)的特点及工作原理

1.3固体氧化物燃料电池材料

1.4固体氧化物燃料电池电解质薄膜制备技术

1.5多层复合电解质的研究进展

1.6研究目的和内容

2电池的制备和测试方法

2.1粉体制备

2.2对称电池的制备

2.3单电池的制备

2.4性能与测试

3结果与分析

3.1 ESB前驱粉体的热分解性能

3.2粉体的物相分析

3.3对称电池的极化电阻

3.4 ESB电解质层烧结致密性

3.5单电池输出性能

3.6原位复合法制备ESB电解质的研究

参考文献

致谢