过渡和非过渡金属氧化物对IT-SOFCs阴极性能的影响

摘要

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cells，SOFC）是一种非常有前景的能量转换装置，它的燃料可选范围非常广泛，包括各种含H2燃料以及碳氢化合物。但是电极材料的造价和制备工艺限制了SOFC商业化的广泛使用。为了降低SOFC的制备成本，需将其操作温度降低到800℃以下，这样便能够使用廉价的连接以及密封材料，并且增加电池的稳定性能。然而，SOFC较低的运行温度会增加电解质的欧姆电阻和电极的极化电阻，使得电池性能降低。降低电解质的欧姆电阻可以通过减小电解质厚度、增加离子电导率来解决;电极极化电阻可以通过使用新型高性能电极材料、调节电极微观结构或者表面修饰的方法来降低。本论文中，采用过渡金属和非过渡金属氧化物来修饰阴极表面，降低阴极的极化电阻，增加低温下SOFC的电化学性能。
　　第一章介绍了固体氧化物燃料电池的工作原理和组成部分，以及对于SOFC构造的讨论。
　　第二章研究了NiO修饰La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)表面后对其氧还原过程的影响。电导弛豫测试表明NiO增加了LSCF表面氧还原反应的速率常数，即表面交换系数。800℃时，LSCF表面分别采用真空蒸镀和浸渍的方法修饰NiO后，其氧还原过程的速率常数由3.48×10-5cm s-1分别增加到6.65×10-5cm s-1和6.9×10-4cm s-1。以钐掺杂的氧化铈为电解质，LSCF为电极进行对称电池测试时，5wt.％含量的NiO修饰LSCF电极后，700℃下界面极化电阻由0.108Ωcm2降低到0.082Ωcm2。单电池的性能也在NiO浸渍后有所增加，800℃时最大功率密度由0.371W cm-2增加到1.031W cm-2。
　　第三章研究了银浆集流体中的PbO对阴极氧还原性能的影响。PbO颗粒沉积到LSCF和LSF表面后显著增加了氧还原反应速率，即增强了表面氧交换性能。PbO修饰LSCF和LSF表面后的反应速率常数分别增加了约15倍和6倍。5.88wt.％和5.67wt.％含量的PbO修饰多孔LSCF和LSF阴极表面后，650℃时的界面极化电阻分别由0.257Ωcm2和1.33Ωcm2降低到0.141Ωcm2和0.373Ωcm2。
　　第四章研究了B2O3，Al2O3，Ga2O3和In2O3对阴极氧还原性能的影响。所有氧化物中，只有In2O3能够增加LSCF和LSF阴极的电化学性能。当13.73wt.％和7.88wt.％的In2O3浸渍到多孔LSCF和LSF阴极内表面后，650℃时的界面极化阻抗分别由0.41Ωcm2和0.999Ωcm2降低到0.27Ωcm2和0.399Ωcm2。In2O3同样能够增加LSCF和LSF样品表面氧还原的速率常数，浸渍In2O3后，LSCF和LSF的表面反应速率常数分别增加了约6倍和4倍。

目录

声明

摘要

Abstract

Table of Contents

CHAPTER 1：GENERAL INTRODUCTION TO SOLID OXIDE FUEL CELL

1．1．Introduction

1．2．Solid oxide fuel cell

1．3．Materials for SOFC components

1．3．1．Electrolyte

1．3．2．Anode

1．3．3．Cathode

1．4．SOFC Design

1．4．1．Electrolyte-supported SOFCs

1．4．3．Anode-supported SOFCs

1．4．4．Metal-supported SOFCs

1．5．Aims and objectives of thesis

References

CHAPTER 2：EFFECT OF NiO ADDITION ON OXYGEN REDUCTION REACTION AT LANTHANUM STRONTIUM COBALT FERRITE CATHODE FOR SOLID OXIDE FUEL CELL

2．1．Introduction

2．2．Experimental

2．2．1．Powders Synthesis

2．2．2．Cell fabrications

2．2．3．Electrical conductivity relaxation measurement

2．2．4．Sample characterization

2．3．Results and discussion

2．3．1．Compatibility between LSCF and NiO

2．3．2．NiO effects on the surface exchange rate

2．3．3．Electrochemical performance of LSCF-NiO composite electrode

2．3．4．Single cell performance

2．4．Conclusion

References

CHAPTER 3：DOES THE PRESENCE OF PbO IN Ag CURRENT COLLECTOR AFFECT THE OXYGEN REDUCTION REACTION AT CATHODES FOR SOLID OXIDE FUEL CELL?

3．1．Introduction

3．2．Experimental

3．2．2．Cell fabrications

3．2．3．Electrical conductivity relaxation measurement

3．2．4．Characterization

3．3．Rlesults and discussion

3．3．2．PbO effect on oxygen surface exchange kinetics

3．3．3．Effect of PbO on electrode resistances

3．4．Conclusion

References

CHAPTER 4：THE EFFECT OF GROUP 111A OXIDES ON THE OXYGEN REDUCTION REACTION AT CATHODES FOR SOLID OXIDE FUEL CELLS

4．1．Introduction

4．2．ExperimentaL

4．2．2．Cell fabrications

4．2．3．Electrical conductivity relaxation measurement

4．2．4．Characterization

4．3．Results and discussion

4．3．1．Effect of oxides on electrode resistances

4．3．2．Compatibility of In2O3 with LSCF and LSF

4．3．3．In2O3 effect on oxygen surface exchange kinetics

4．4．Conclusion

References

Acknowledgements

List of publications