本文關(guān)鍵詞： 固體氧化物燃料電池 低溫化 摻雜氧化鈰 穩(wěn)定氧化鉍 質(zhì)子導(dǎo)體 陰極 質(zhì)子阻塞　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：固體氧化物燃料電池(SOFC)低溫化應(yīng)用是商業(yè)化發(fā)展的必然需求。目前發(fā)展的電解質(zhì)材料當(dāng)中,低溫氧傳導(dǎo)能力表現(xiàn)較好的體系當(dāng)屬摻雜氧化鈰(DCO)體系及穩(wěn)定氧化鉍(SBO)體系,鑒于兩種體系材料都存在各自的缺點(diǎn),其低溫化應(yīng)用研究相對(duì)較少;而質(zhì)子導(dǎo)體基SOFC(H-SOFC)電解質(zhì)以其較低的活化能而成為極有潛力低溫化應(yīng)用的燃料電池。本論文工作主要涉及(1)DCO-SBO雙層電解質(zhì)薄膜的低成本制備技術(shù),開(kāi)展相關(guān)的制備工藝探索、新型結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計(jì)與研究;(2)H-SOFC不含Co元素高性能低溫陰極材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),以及電化學(xué)機(jī)理分析研究,從理論上指導(dǎo)設(shè)計(jì)低溫高性能H-SOFC陰極材料。論文第一章介紹了 SOFC低溫化所面臨的問(wèn)題,綜述了各低溫SOFC關(guān)鍵部件材料發(fā)展及研究狀況,同時(shí),基于質(zhì)子阻塞型陰極在H-SOFC表現(xiàn)的優(yōu)勢(shì),對(duì)無(wú)Co質(zhì)子阻塞陰極材料在H-SOFC上的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。第二章,發(fā)展了 一種簡(jiǎn)單的低成本共壓-涂漿復(fù)合技術(shù)成功制備Sm_(0.075)Nd0.075Ce_(0.85)O_(2-δ-)Er_(0.4)Bi_(1.6)O_3(SNDC-ESB)雙層電解質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)電池,在低溫測(cè)試范圍內(nèi)(450-600 ℃)表現(xiàn)出DCO-SBO雙層結(jié)構(gòu)體系電池最佳的性能輸出,其在450 ℃依然具有高達(dá)130 mW cm-2的功率輸出,克服了當(dāng)前在致密DCO電解質(zhì)基底上獲得SBO電解質(zhì)薄膜只能采用脈沖激光沉積(PLD)及磁控濺射等高成本小尺寸技術(shù)的局限,表明這種簡(jiǎn)單易操作的低成本制備技術(shù)是一種有效且較有潛力的DCO-SBO雙層電解質(zhì)薄膜制備方法,有利于促進(jìn)SBO電解質(zhì)材料在低溫高性能SOFC上的應(yīng)用。第三章,將不同電導(dǎo)率DCO材料Gd_(0.1) Ce_(0.9)O_(2-δ)(GDC)及SNDC應(yīng)用于DCO-SBO雙層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)電池當(dāng)中,探究不同DCO電解質(zhì)層對(duì)雙層結(jié)構(gòu)電池性能的影響。結(jié)果表明,具有更高離子電導(dǎo)率的SNDC更有利于提高DCO-SBO雙層結(jié)構(gòu)電池的工作效率。此外,測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)DCO|SBO雙層電解質(zhì)(包含SNDC|ESB及GDC|ESB)電導(dǎo)率均高于DCO層及SBO層的"奇異"現(xiàn)象;對(duì)此"奇異"現(xiàn)象進(jìn)行分析,考慮DCO-SBO雙層膜在SOFC工作條件下的離子具體傳輸過(guò)程及反應(yīng)機(jī)理,從理論上解釋電導(dǎo)率"奇異"現(xiàn)象發(fā)生的原因。第四章,鑒于SBO高反應(yīng)活性,目前應(yīng)用于DCO-SBO低溫SOFC陰極材料極其匱乏,表現(xiàn)較好的多為貴金屬元素材料,如Bi2Ru2O7。本章開(kāi)發(fā)了一種新型的A位無(wú)序鈣鈦礦陰極材料Pr_(0.5)Ba_(0.5)MnO_(3-δ)(PBM),復(fù)合Er_(0.4)Bi_(1.6)O_3(ESB)形成納米結(jié)構(gòu)復(fù)合陰極ESB-PBM,陰極顆粒尺寸在100-200nm;將其應(yīng)用于SNDC|ESB雙層電解質(zhì)電池上,表現(xiàn)出相當(dāng)優(yōu)秀的性能輸出,650 ℃具有高達(dá)994 mWcm-2的功率輸出,表明ESB-PBM是一種較為優(yōu)越的DCO-SBO雙層電解質(zhì)低溫高性能陰極材料。第五章,設(shè)計(jì)了一種新型質(zhì)子阻塞復(fù)合陰極(PBCC)應(yīng)用于H-SOFC上,與原有氧空位方式傳導(dǎo)氧離子的PBCC材料不同,新型PBCC材料La_2NiO_4+δ-LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3-δ)(LNO-LNF)采用間隙機(jī)制傳導(dǎo)氧離子。兩種不同氧傳導(dǎo)方式PBCC材料:LNO-LNF與Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(2-δ)-LNF(SDC-LNF)的對(duì)比研究,為解釋PBCC陰極中氧離子與電子輸運(yùn)機(jī)制及界面反應(yīng)過(guò)程,探究電池性能總體提高的內(nèi)在因素,對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)H-SOFC質(zhì)子阻塞陰極(PBC)材料具有重要意義。同時(shí),基于表現(xiàn)較好的PBCC材料LNO-LNF,進(jìn)行陽(yáng)極功能層(AFL)不同Ni含量比例優(yōu)化,確保其他關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)良好的情況下,優(yōu)化LNO-LNF陰極在H-SOFC上的電性能輸出,使其在低至500 ℃溫度下依然具有較高的功率性能,最大功率輸出為270 mW cm-2,表明該P(yáng)BCC材料是一種優(yōu)秀的H-SOFC低溫高性能陰極材料。第六章,利用一種四方相層狀結(jié)構(gòu)材料Pr_(1.5)Ba_(1.5)Cu_3O_(7-δ)(PBCu)與SDC氧離子傳導(dǎo)材料復(fù)合構(gòu)造了一種新型無(wú)Co質(zhì)子阻塞復(fù)合陰極SDC-PBCu,將其應(yīng)用在20μm厚BZCY電解質(zhì)H-SOFC上,性能表現(xiàn)極其優(yōu)越,功率輸出性能在700℃時(shí)高達(dá)1000 mW cm-2;低溫區(qū)域內(nèi)(500-600 ℃)具有同類陰極的最高性能輸出,表明SDC-PBCu是一種極有潛力的H-SOFC低溫化陰極材料。第七章,對(duì)本論文工作進(jìn)行總結(jié),并指出了關(guān)于DCO-SBO雙層結(jié)構(gòu)電池和無(wú)Co質(zhì)子阻塞陰極應(yīng)用于低溫H-SOFC中一些值得研究的問(wèn)題。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM911.4
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本文編號(hào)：1543268