Metal Phosphates as Proton Conducting Materials for Intermediate Temperature Fuel Cell and Electrolyser Applications

摘要

Denne afhandling præsenterer de resultater jeg har opnået i løbet af mit ph.d.-projekt vedrørende medium temperatur protonledende metalphosphater som elektrolyt- materialer til brændselsceller og elektrolysatorer. Brændselsceller og elektrolysatorer er elektrokemiske enheder med høj energikonverteringseffektivitet, og disse er blevet foreslået som fremtidige energiteknologienheder i forbindelse med vedvarende energikilder. De nuværende tilgængelige teknologier opererer enten ved lave eller høje temperaturer. For at opnå en medium operationstemperatur mellem 200 og 400 oC er nøglematerialet en elektrolyt med en protonledningsevne på over 10-2 Scm-1. En introduktion til det grundlæggende i brændselscelle- og elektrolysatorteknologier samt protonledende materialer gives i kapitel 1. En udvidede diskussion om protonledende materialer særlig om phosphat fremføres i kapitel 2. Tre hovedtyper af phosphater herunder faste sure eller alkaliske hydrogenphosphater, pyrophosphater og metalphosphater af de sjældne jordarter er systematisk blevet undersøgt. Demonstration af brændselscelleteknologi en baseret på den sure faste protonleder CsH2PO4, har inspireret den aktive forskning på området. Baseret på en litteraturoversigt er afhandlingsarbejdet blevet defineret og beskrevet.I kapitel 3 beskrives i detaljer den teoretiske baggrund for de teknikker, der anvendes i den foreliggende undersøgelse. En væsentlig del af denne undersøgelse involverer ledningsevnemålinger med elektrokemisk impedansteknik. I kapitel 4 analyseres og diskuteres den elektrokemiske impedansteknik. I kapitel 5 beskrives forskningsarbejdet med syntese og undersøgelse af tre sjældne jordarters metalphosphathydrater. Strukturelt og overfladebundet vand samt deres stabilitet er blevet undersøgt ved hjælp af termogravimetriske og differentielle termiske analyser kombineret med strukturel modelleringsberegninger. Resultaterne af ledningsevnemålingerne af phosphater præsenteres. Den strukturelle modellering der anvendes i kapitel 5 er blevet selvdesignet udfra eksisterende software til strukturelle modeller. I kapitel 6 undersøges de sjældne jordarters metalphosphater i forbindelse med fremstilling af kompositter med cæsium dihydrogenphosphat. Egenskaberne af kompositter er kendetegnet ved hjælp af SEM / EDX XRD, TGA / DTA og ledningsevnemålinger i let fugtet atmosfære. I kapitel 7 er rapporteret en struktur og ledningsevne-mekanisme af indium dopede tinpyrophosphater. Til dette formål er tre synteseteknikker brugt til at forberede en række pyrophosphater med eller uden efterbehandlinger med phosphorsyre. Ledningsevnen og dens stabilitet er blevet undersøgt og sammenholdt med phosphat-morfologier. Fastfase NMR-undersøgelser er blevet udført i samarbejde med Syddansk Universitet Danmark (SDU). De i kapitel7 opnåede resultater har været brugt til udvikling af medium temperatur elektrolysatorer i andre ph.d.-studier. I kapitel 8 præsenteres de opnåede resultater for en ny protonleder baseret på cerium ultraphosphat. Ultraphosphaten er fundet at være i form af den orthorhombiske fase, hvis stabilitet bekræftes af varmebehandlinger kombineret med XRD målinger. Indledende målinger af ledningsevne og stabilitet af cerium ultraphosphat er også fremlagt. Kapitel 9 opsummerer konklusionerne i afhandlingen.Yderligere information om eksperimentelle målinger er givet i Appendices.