本文關(guān)鍵詞：RP型LaPrNiO陰極在改進(jìn)的GDC電解質(zhì)上的電化學(xué)性能研究

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【摘要】：陰極與電解質(zhì)作為固體氧化物燃料電池(SOFC)的重要組成部分,其性能的優(yōu)劣對(duì)SOFC有著很大的影響。最近被稱為Ruddlesden Popper(簡(jiǎn)稱RP)型層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的陰極材料,以其在中溫區(qū)具有較高的離子電導(dǎo)率、高的氧擴(kuò)散能力與表面交換能力而被人們所重視,成為中溫SOFC(IT-SOFC)最具潛力的陰極材料之一。Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC)由于其在中溫具有較高的離子電導(dǎo)率,而且與RP型陰極材料熱匹配度較高,常被選用作為電解質(zhì)材料。但是商業(yè)GDC粉中存在SiO2雜質(zhì)極大的影響著晶界電阻,導(dǎo)致性能下降,研究表明加入適量的Fe2O3可有效地清除SiO2,但是與此同時(shí)帶來的影響是極化電阻會(huì)變大,表面性能變差,這對(duì)陰極材料的研究極為不利。本文對(duì)商業(yè)GDC電解質(zhì)表面性能進(jìn)行改善,并對(duì)La3Ni2O7材料的A位摻雜Pr得到RP結(jié)構(gòu)LaPrNiO陰極,并且將GDC與RP結(jié)構(gòu)陰極結(jié)合,以期望得到較高的電池性能。首先,對(duì)添加Fe2O3的GDC電解質(zhì)的性能研究,發(fā)現(xiàn)在高溫?zé)Y(jié)1400 oC的過程中,Fe2O3與SiO2反應(yīng)生成Fe2SiO4,由于其熔點(diǎn)低于1400 oC,高溫下溶融并會(huì)在GDC電解質(zhì)的表面析出,嚴(yán)重影響GDC表面以及電極的性能;將GDC電解質(zhì)的兩個(gè)表面分別覆蓋一個(gè)Al2O3板,以便于除去在表面析出的Fe2SiO4,使得電極與電解質(zhì)能夠更加良好的接觸,從而使得GDC電解質(zhì)的電化學(xué)性能得到改善,GDC電解質(zhì)極化阻抗減小50%左右,從而制備出高性能的GDC電解質(zhì)。其次,采用溶膠-凝膠(sol-gel)法合成La3-x PrxNi2O7(x=0.0-3.0)系列陰極材料,物相分析發(fā)現(xiàn)隨Pr摻雜量的增多,晶體結(jié)構(gòu)由La3Ni2O7轉(zhuǎn)變成Pr2NiO4。直流四端法進(jìn)行的高溫電導(dǎo)率測(cè)試表明,當(dāng)少量的Pr(x=0.4)摻雜時(shí)電導(dǎo)率最高,其最大值為70 Scm-1。當(dāng)Pr含量增加到x=2.2時(shí)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致電導(dǎo)率比La3Ni2O7結(jié)構(gòu)最大值下降近50%;進(jìn)行Arrhenius圖擬合,發(fā)現(xiàn)低溫區(qū)接近線性,符合小極化子導(dǎo)電機(jī)制。熱膨脹測(cè)試分析表明,La3Ni2O7結(jié)構(gòu)具有與GDC最相近的熱膨脹系數(shù)(TEC)。以改進(jìn)后的GDC為電解質(zhì)對(duì)La3-x PrxNi2O7陰極材料進(jìn)行半電池測(cè)試,其中阻抗譜測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)Pr的摻雜量x=1.0時(shí),得到La3Ni2O7結(jié)構(gòu)中最小的極化阻抗,800 oC下極化阻抗為0.22Ωcm2;進(jìn)行不同氧分壓下的阻抗譜分析,可知影響電極過程的主要是三相反應(yīng)區(qū)(TPB)內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移過程;極化曲線測(cè)試發(fā)現(xiàn),Pr含量越多同一過電位下電流密度越大,在所成La3Ni2O7結(jié)構(gòu)中Pr的摻雜量x=1.0時(shí),0.1 V的過電位下電流密度為260 mAcm-2,進(jìn)行半電池的橫截面測(cè)試發(fā)現(xiàn)電極與電解質(zhì)接觸良好,并且每個(gè)比例的陰極厚度基本相同,說明電化學(xué)性能測(cè)試基本真實(shí)有效。最后,由于La2Pr Ni2O7陰極在La3Ni2O7結(jié)構(gòu)下具有最優(yōu)的電化學(xué)性能,以Ni-GDC為陽極、La2PrNi2O7為陰極、以改進(jìn)性能后的GDC為電解質(zhì)制成電解質(zhì)支撐型單電池,測(cè)試出電池的開路電壓在0.8-0.9 V左右,輸出最大功率密度在800 o C時(shí)達(dá)到223 mWcm-2。綜上所述,La2PrNi2O7陰極用在改進(jìn)性能后的GDC電解質(zhì)上,具有La3Ni2O7結(jié)構(gòu)中最優(yōu)的電化學(xué)性能,極化阻抗相比La3Ni2O7減小60%,在電極反應(yīng)中的控制步驟是TPB內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移過程,為了進(jìn)一步提高性能還需要對(duì)材料的離子電導(dǎo)率進(jìn)行改善。
【關(guān)鍵詞】：La_3Ni_2O_7 GDC電解質(zhì) Ruddlesden Popper 電化學(xué)性能 中溫SOFC
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-23
• 1.1 燃料電池簡(jiǎn)述10-12
• 1.2 SOFC介紹12-14
• 1.2.1 SOFC工作原理12-13
• 1.2.2 SOFC組成部分13-14
• 1.3 SOFC陰極材料14-19
• 1.3.1 SOFC陰極反應(yīng)機(jī)制14-16
• 1.3.2 SOFC陰極發(fā)展現(xiàn)狀16-17
• 1.3.3 RP型層狀鈣鈦礦陰極17-19
• 1.4 SOFC電解質(zhì)材料19-20
• 1.5 論文研究的內(nèi)容與意義20-23
• 1.5.1 論文研究的意義20-21
• 1.5.2 論文研究的主要內(nèi)容21-23
• 第2章 Fe_2O_3的添加對(duì)GDC電解質(zhì)的性能影響研究23-35
• 2.1 概述23
• 2.2 Fe_2O_3添加GDC電解質(zhì)中對(duì)阻抗性能的影響23-25
• 2.3 表面含F(xiàn)e氧化物的析出對(duì)GDC電解質(zhì)性能的影響25-27
• 2.4 清除GDC表面析出含F(xiàn)e氧化物方法的研究27-33
• 2.4.1 幾種清除GDC表面析出含F(xiàn)e氧化物的方法27-31
• 2.4.2 壓Al_2O_3板燒結(jié)的GDC電解質(zhì)具體制備過程31-32
• 2.4.3 壓Al_2O_3板燒結(jié)的GDC交流阻抗譜測(cè)試32-33
• 2.5 本章小結(jié)33-35
• 第3章 LaPr NiO陰極材料的制備與物性研究35-45
• 3.1 簡(jiǎn)述35
• 3.2 RP型LaPrNiO陰極材料的制備35-36
• 3.3 LPNx陰極材料的物相分析36-38
• 3.4 LPNx陰極材料的微觀結(jié)構(gòu)分析38-39
• 3.5 LPNx陰極材料高溫電導(dǎo)率的研究39-42
• 3.6 LPNx陰極材料熱膨脹性能的研究42-44
• 3.7 本章小結(jié)44-45
• 第4章 LaPr NiO陰極材料的電化學(xué)性能研究45-62
• 4.1 簡(jiǎn)述45
• 4.2 半電池的制備45-46
• 4.2.1 對(duì)稱電極的制備方法45
• 4.2.2 三電極的制備方法45-46
• 4.3 半電池實(shí)驗(yàn)的測(cè)試方法46
• 4.3.1 交流阻抗譜測(cè)試46
• 4.3.2 極化曲線測(cè)試46
• 4.4 半電池測(cè)試結(jié)果分析46-58
• 4.4.1 La_(3-x)Pr_xNi_2O_7陰極的電化學(xué)性能測(cè)試46-51
• 4.4.2 不同氧分壓下的阻抗譜51-55
• 4.4.3 不同Pr摻雜量下的極化曲線測(cè)試55-57
• 4.4.4 電極的微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試57-58
• 4.5 單電池的制備與測(cè)試分析58-61
• 4.6 本章小結(jié)61-62
• 結(jié)論62-64
• 參考文獻(xiàn)64-69
• 致謝69

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