中低温固体氧化物燃料电池新材料与结构设计及电化学性能研究

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFCs)的中低温化是目前该领域研究的主流方向。质子导体基SOFCs和掺杂氧化铈(DCO)基SOFCs是两种很有发展前景的中低温SOFCs。本论文围绕这两种中低温SOFCs进行了一系列新材料与结构的设计、电化学性能表征等研究工作。
　　 第一章，主要综述了目前质子导体基SOFCs相关材料的发展现状。同时，对消除DCO基SOFCs内短路的相关文献也进行了总结。
　　 第二章，提出了一种设计质子导体基SOFCs阴极材料的新理念，即将质子阻塞的复合阴极用于质子导体基SOFCs。实验中，比较研究了质子阻塞的La0.7Sr0.3FeO3-δ(LSF)-Ce0.8Sm0.2O2-δ,(SDC)复合阴极与传导质子的LSF-BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ(BZCY)复合阴极的电化学性能，结果发现质子阻塞的LSF-SDC复合阴极在质子导体基SOFCs中也有着很好的性能输出，甚至优于传导质子的LSF-BZCY复合阴极。除此之外，也开发了其它几种高性能的质子阻塞的复合阴极，相应的单电池都可以输出非常优异的性能。所有结果表明，基于阴极材料的多孔结构特征，质子传导性能并不是质子导体基SOFCs阴极材料所必需的，质子阻塞的复合氧化物体系也可成为一种非常适合质子导体基SOFCs的阴极材料。
　　 第三章，设计了一种新型稳定的BaZrO3基质子导体—BaZr0.7Sn0.1Y0.2O3-δ(BZSY)，并将其应用于SOFCs。经过10mol％ Sn掺杂BaZr0.8Y0.2O3-δ后得到的BZSY仍然保持立方钙钛矿结构。XPS和TGA结果表明，与BaZr0.8Y0.2O3-δ相比，BZSY具有更强的碱性和质子化水合能力，电导率也因此得到了提高。而且，Sn掺杂后，BZSY仍然保持非常高的抗CO2和H2O腐蚀的化学稳定性。采用浆料涂覆法制备了高电导率的致密BZSY电解质薄膜，相应单电池输出了非常高的功率密度，在700℃时达到了360 mW.cm-2，这是BaZrO3基燃料电池领域的一个很大突破。研究结果表明，通过进一步优化制备工艺并开发高性能的电极材料，BaZrO3基燃料电池也是非常有前景的中低温SOFCs。
　　 第四章，设计制备了基于BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCY Yb)质子导体的Patterned Pt电极，初步研究了在燃料电池或金属陶瓷氢气分离膜工作条件下氢气在Pt-BZCYYb界面的氧化反应动力学。采用稳态极化法测试了电池在不同温度、氢分压和水分压下的电化学交流阻抗谱。采用Butler-Volmer公式对交换电流密度、极限电流密度以及电荷转移系数等进行了拟合计算。同时，根据氢分压对极化电阻、交换电流密度以及极限电流密度的影响估算了氢气氧化反应的表观反应级数。结果表明，在Pt-BZCYYb界面的氢气氧化反应速率主要受氢气的裂解反应控制，同时，随着极化过电位或电流的增加，表面扩散等物质输运过程将变的越来越重要。本章结果为更好地优化设计质子导体基SOFC阳极材料和微结构以及金属陶瓷氢分离膜奠定了理论基础。
　　 第五章，首次采用一步燃烧法合成了BaCe0.8Sm0.2O3-δ(BCS)-Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)氧离子-质子混合离子导体。BCS-SDC混合离子导体有效改善了BCS和SDC单相材料的典型缺点，相比单相材料，能有效地抑制电子传导和明显改善化学稳定性，是一种非常有应用前景的中低温SOFCs的电解质材料。在BCS-SDC复合材料中，BCS和SDC两相具有很好的化学相容性，同时，BCS和SDC晶粒分布均匀。BCS-SDC具有很好的烧结活性和较高的电导率。作为SOFC的电解质材料，相应的单电池不仅具有远高于SDC基SOFCs的开路电压而且也表现出较好的长期运行稳定性。单电池在采用湿润氢气和甲烷作燃料时，均可以输出很高的功率密度。同时，初步研究显示Ni-BCS-SDC阳极具有良好的抗积碳能力，有希望成为新型的抗积碳阳极材料。
　　 第六章，设计了一种消除了内短路的新型SDC基SOFCs。在制备单电池时，采用含Ba的NiO-BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3.δ阳极粉体取代传统的NiO-SDC阳极，在阳极支撑半电池的高温烧结过程中，Ba从阳极向SDC电解质层扩散，接着在阳极和电解质界面原位生成一层很薄的BaO-CeO2-Sm2O3三元复合电子阻隔层。在135O℃共烧制备的单电池，开路电压在700，650，600和550℃分别达到1.04，1.06，1.07和1.08 V，已非常接近理论电动势，说明单电池内短路电流几乎被完全消除。600℃时，单电池在0.9V的工作电压下功率密度仍然可以达到221 mW.cm-2，而传统的氧化铈基SOFCs根本无法在这样一个高输出电压下工作。研究结果表明，这种新结构的SDC基SOFCs是一种很有应用前景的中低温SOFCs。
　　 第七章，对本论文工作进行了总结，并提出了一些针对质子导体基SOFCs和DCO基SOFCs还值得深入研究的问题。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 质子导体基SOFCs的工作原理

1．3 质子导体基SOFCs的阴极材料

1．3 质子导体基SOFCs的阳极材料

1．4 质子导体基SOFCs的电解质材料

1．5 质子导体基SOFCs前景展望

1．6 掺杂氧化铈基SOFCs内短路的消除

1．7 本论文的研究背景与研究内容

参考文献

第二章 应用于质子导体基SOFC的质子阻塞的复合阴极研究

2．1 引言

2．2 实验

2．2．1 粉体制备

2．2．2 电池制备

2．2．3 电化学性能测试及其他表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 LSF-SDC和LSF-BZCY复合阴极的比较研究

2．3．2 其它质子阻塞的复合阴极在质子导体基SOFC中的应用

2．4 结论

参考文献

第三章 BaZr0．7Sn0．1Y0．2O3-δ：一种新型稳定的质子导体

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 粉体制备

3．2．2 材料表征

3．2．3 单电池制备及电化学性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 相结构

3．3．2 XPS分析

3．3．3 热重分析

3．3．4 电导率

3．3．5 化学稳定性

3．3．6 SOFC中的应用

3．4 结论

参考文献

第四章 Patterned Pt-BZCYYb界面的氢气氧化反应动力学的初步研究

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 粉体制备

4．2．2 Patterned Pt-BZCYYb电极制备

4．2．3．电化学性能测试及表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 Patterned Pt-BZCYYb界面的微观形貌

4．3．2 开路状态下的电化学交流阻抗谱测试

4．3．3 稳态极化状态下的电化学交流阻抗谱测试

4．3．4 氢分压对稳态极化的影响

4．4 结论

参考文献

第五章 一种新型氧离子-质子混合导体及其在SOFC中的应用

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 粉体制备

5．2．2 电池制备

5．2．3 材料表征

5．2．4 单电池电化学性能测试及表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 相结构

5．3．2 粉体形貌

5．3．3 烧结活性

5．3．4 电导率

5．3．5 燃料电池中的应用

5．4 结论

参考文献

第六章 一种消除内短路的新型氧化铈基SOFC

6．1 引言

6．2 实验

6．2．1 粉体制备

6．2．2 电池制备

6．2．3 单电池电化学性能测试及表征

6．3 结果与讨论

6．3．1 电子阻隔层的形成

6．3．2 共烧温度的影响

6．3．3 单电池性能

6．4 结论

参考文献

第七章 论文总结与研究展望

7．1 论文总结

7．2 研究展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果