本文選題：固體氧化物燃料電池　切入點：雙層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：為了實現(xiàn)固體氧化物燃料電池(SOFCs)商業(yè)化發(fā)展,最關(guān)鍵的因素是降低SOFCs工作溫度至中低溫化,而發(fā)展高電導(dǎo)率SOFCs電解質(zhì)材料和電解質(zhì)薄膜化是解決SOFCs中低溫化帶來的歐姆損失問題的關(guān)鍵。目前研究較多的SOFCs電解質(zhì)材料有摻雜的CeO2, LaGaO3及穩(wěn)定的ZrO2基氧離子導(dǎo)體和摻雜的BaCeO3, BaZrO3基質(zhì)子導(dǎo)體材料。本論文圍繞上述幾種電解質(zhì)材料,在電解質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計、電解質(zhì)薄膜的制備技術(shù)以及電化學(xué)性能優(yōu)化方面進行研究。 第一章主要介紹氧離子導(dǎo)體基SOFCs和質(zhì)子導(dǎo)體基SOFCs的研究背景、發(fā)展?fàn)顩r和工作原理,總結(jié)了SOFCs電解質(zhì)材料以及各自存在的問題,闡述了雙層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的概念,并討論將這種結(jié)構(gòu)與SOFCs電解質(zhì)材料相結(jié)合并應(yīng)用的可能性。同時也分析了幾種常用的電解質(zhì)薄膜制備技術(shù)。 第二章采用脈沖激光沉積法(PLD)成功的在陽極支撐的SDC電解質(zhì)層表面制備出致密的8mol%Y2O3穩(wěn)定的ZrO2(YSZ)電子阻隔層和Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)緩沖層。實驗結(jié)果表明由于PLD鍍膜時襯底溫度較低,從而可以避免傳統(tǒng)化學(xué)法在高溫?zé)Y(jié)下容易引起CeO2和ZrO2層之間的界面反應(yīng)。當(dāng)YSZ層引入電解質(zhì)結(jié)構(gòu)中,相應(yīng)的燃料電池開路電壓(OCV)得到明顯提高,表明PLD制備的YSZ層十分致密,能夠有效阻隔Ce4+還原所產(chǎn)生的電子電導(dǎo)。通過在SDC/YSZ雙層電解質(zhì)表面沉積一層SDC緩沖層,不僅避免Smo.5Sro.5Co03-6(SSC)陰極和YSZ之間的反應(yīng)和熱膨脹不匹配問題,同時也降低了極化損失,獲得較好的電池性能。上述結(jié)論表明PLD技術(shù)作為一種能在低溫下沉積高質(zhì)量薄膜的鍍膜手段,可以廣泛應(yīng)用于SOFCs電解質(zhì)薄膜的制備與研究。 第三章通過對陽極襯底的優(yōu)化,討論了襯底表面形貌和結(jié)構(gòu)對PLD制備的薄膜質(zhì)量的影響。實驗結(jié)果表明若在未優(yōu)化的陽極上沉積薄膜,由于薄膜厚度相比于孔洞尺寸較小,造成難以完全覆蓋陽極缺陷,在經(jīng)過電池測試還原后陽極/電解質(zhì)薄膜界面會出現(xiàn)裂紋,影響電池整體結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能。經(jīng)過功能層優(yōu)化修復(fù)了表面尺寸較大的孔洞,在這種襯底上所制備的薄膜平整且未發(fā)現(xiàn)裂紋。此外,我們還比較了在兩種不同陽極襯底上利用PLD技術(shù)制備YSZ/SDC雙層電解質(zhì)薄膜所對應(yīng)的電池性能。在未優(yōu)化襯底上制備的單電池性能衰減很快,而在優(yōu)化的陽極襯底上制備的單電池獲得了相當(dāng)高的最大功率密度,750℃達到1.19Wcm-2,并且保持很好的長期穩(wěn)定性,開路電壓在750℃達到0.959V,遠高于SDC單電解質(zhì)電池性能,結(jié)果表明陽極優(yōu)化對電池的性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都有很大的幫助。 第四章探討了PLD沉積條件對(LSGM)薄膜質(zhì)量的影響�；贚SGM具有很高的離子電導(dǎo)率,我們設(shè)計采用PLD技術(shù)在SDC半電池上制備LSGM電子阻隔層,探索沉積過程中氧分壓大小以及后續(xù)退火溫度對LSGM薄膜形貌、組分、粗糙度和相結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響。綜合LSGM薄膜的沉積速度,質(zhì)量以及化學(xué)計量比考慮,得出PLD制備過程中的最佳氧分壓值。為了解決LSGM薄膜相結(jié)構(gòu)的問題,我們研究不同退火溫度對LSGM成相的影響,發(fā)現(xiàn)退火溫度越高,LSGM結(jié)晶性越好,但高溫容易造成Ga流失。最終我們將沉積的LSGM薄膜與陰極采取一步煅燒,既簡化工藝流程又保證薄膜結(jié)晶度,也防止Ga揮發(fā)。此外,我們也研究了不同退火處理對應(yīng)的SDC/LSGM雙層電解質(zhì)燃料電池的電化學(xué)性能,結(jié)果表明將LSGM退火與陰極煅燒在一個過程中完成,這樣得到的電池性能最佳。SDC/LSGM雙層電解質(zhì)電池結(jié)構(gòu)既起到了阻隔Ce4+產(chǎn)生的電子電導(dǎo),同時也保護LSGM不與Ni基陽極反應(yīng),維持了良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 第五章通過PLD技術(shù)在陽極支撐的BaCeo.8Yo.203-δ(BCY)電解質(zhì)層表面制備BaZr0.8Yo.203-δ(BZY)薄膜,討論不同厚度的BZY薄膜對BCY的化學(xué)穩(wěn)定性和相應(yīng)電化學(xué)性能的影響。實驗結(jié)果表明當(dāng)BZY厚度達到一定大小,對應(yīng)的BCY/BZY雙層電解質(zhì)膜才能在CO2氣氛中獲得較好的化學(xué)穩(wěn)定性。然而由于BZY厚度增加造成歐姆電阻增加,此外陰極與BZY匹配性較差,極化損失嚴(yán)重,從而相應(yīng)的單電池最大功率密度隨著BZY厚度增加而降低。通過實驗結(jié)果得出,具有一定厚度的BZY對應(yīng)的BCY/BZY雙層電解質(zhì)電池顯示出良好的化學(xué)穩(wěn)定性,并具有可觀的電導(dǎo)率和電化學(xué)性能。 第六章基于BaZro.7Pro.1Yo.203.6(BZPY)具有比BZY更高的電導(dǎo)率,實驗采用PLD技術(shù)在BCY電解質(zhì)表面制備BZPY薄膜,研究BCY/BZPY雙層電解質(zhì)膜的化學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。實驗結(jié)果表明BCY/BZPY雙層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性,而且在膜電導(dǎo)率及電池性能方面都比BCY/BZY性能有所提高,在700℃下單電池最大功率密度為250mW cm-2,雙層膜電導(dǎo)率為6.02×10-3S cm-1,與傳統(tǒng)稀土元素?fù)诫s的BaCeO3基電解質(zhì)性能也是可比的,表明BZPY層的引入不僅能有效的保護BCY結(jié)構(gòu)不受C02影響,維持化學(xué)穩(wěn)定性,同時也能保證較好的電池性能,作為質(zhì)子導(dǎo)體基SOFCs電解質(zhì)材料具有可觀的發(fā)展前途。 第七章對本論文的工作進行總結(jié),并對雙層電解質(zhì)SOFCs以后的研究工作進行展望。
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【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM911.4

【參考文獻】

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1 何建廷;莊惠照;薛成山;田德恒;吳玉新;趙婧;劉亦安;薛守斌;胡麗君;;脈沖激光沉積法制備ZnO薄膜的研究進展[J];電子元件與材料;2006年05期

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本文編號：1676181