本文關(guān)鍵詞：基于元素擴散的氧化鈰基固體氧化物燃料電池陽極材料研究　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：發(fā)電效率高、理論產(chǎn)物零污染、安全性高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點使得固體氧化物燃料電池(SOFC)技術(shù)成為解決當(dāng)前能源與環(huán)境問題的可靠路徑之一。目前我國SOFC技術(shù)正處于實驗室開發(fā)的關(guān)鍵階段,要想使SOFC技術(shù)走向規(guī)�；瘧�(yīng)用,開發(fā)高效、穩(wěn)定、低成本的SOFC電極和電解質(zhì)材料是推動此項技術(shù)走出實驗室、走向產(chǎn)業(yè)化的最關(guān)鍵一環(huán)。當(dāng)前SOFC的制備過程中,出于電解質(zhì)的致密性要求,高溫?zé)Y(jié)成為目前普遍采用的一種方法。然而在高溫?zé)Y(jié)過程中,電極內(nèi)部、以及電極電解質(zhì)之間元素的互擴散行為成為一個難以逃避的問題。元素互擴散的結(jié)果使得電極電解質(zhì)之間有機會產(chǎn)生雜相、各區(qū)域功能紊亂,直接導(dǎo)致電池性能的衰退、報廢乃至出現(xiàn)安全性問題;而元素擴散利用的好,也有可能利于電池性能的提高,這就使得掌控并利用元素擴散成為SOFC電池研究中一個亟需解決的重要問題。摻雜氧化鈰是目前研究廣泛的一類可應(yīng)用于中低溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)的電解質(zhì)材料,有一定的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景,但電子電導(dǎo)率高的缺點使其不能在高電壓下工作,這限制了它的實際應(yīng)用。利用Ba基質(zhì)子導(dǎo)體陽極元素擴散,在陽極與電解質(zhì)之間形成一層電子阻隔層,可以有效抑制氧化鈰基SOFCs電解質(zhì)內(nèi)部的電子電導(dǎo)。然而,雖有一些利用此方法成功抑制氧化鈰基SOFCs電子電導(dǎo)的相關(guān)報道,但是關(guān)于元素擴散層的成因分析、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及性能影響機制的研究仍然較少,對于元素擴散導(dǎo)致的SOFCs衰減問題的關(guān)注度仍然較低,系統(tǒng)研究元素擴散并合理有效利用元素擴散來提升SOFC性能的研究更是少之又少。本論文針對SOFCs研究中的稀土離子摻雜氧化鈰電解質(zhì)電子電導(dǎo)普遍較高的關(guān)鍵問題,利用高溫煅燒的制備方式,采用Ba基質(zhì)子導(dǎo)體陽極內(nèi)部元素擴散的方法,在陽極與電解質(zhì)之間形成一層擴散功能層,從而有效抑制電解質(zhì)的電子電導(dǎo),提高電池開路電壓進而提高電池性能。論文研究了該功能層的形成機理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及對電池性能的影響作用,開發(fā)出了幾類代表性的具有元素擴散陽極材料,并力求揭示其中關(guān)鍵機理,為相關(guān)研究提供實驗參考。具體章節(jié)內(nèi)容包括:第一章,概述SOFC的典型特征,詳述SOFC的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀以及未來動向。介紹SOFC材料研究方面的近期代表性進展,包括SOFC陽極材料、電解質(zhì)材料和陰極材料,并分類描述電極材料和電解質(zhì)材料研究過程中遇到的關(guān)鍵問題。介紹元素擴散的種類,分析元素擴散的微觀原因,給出當(dāng)前元素擴散在電極材料和電解質(zhì)材料開發(fā)中遇到的典型性問題和代表性進展,闡明元素擴散在SOFC研究中的重要性和研究價值,給出合理利用元素擴散的可能途徑,分析此領(lǐng)域研究的未來走向。第二章,開發(fā)出一類具有代表性的可用來抑制氧化鈰基SOFC的陽極功能材料0.6NiO-0.4BaCe0.45Zr0.45Gd0.1O3-δ(Ni-BZCG)。該材料中具備三個典型特征:包含質(zhì)子導(dǎo)體BZCG、元素擴散劇烈并與本論文中采用的Gd0.1Ce0.902-δ電解質(zhì)元素種類相似,匹配性高。此三特征為定向驗證Ba、Zr等元素擴散致使電解質(zhì)電子電導(dǎo)降低的原因提供了可靠保證。本章系列實驗研究表明,利用此陽極材料作為氧化鈰基SOFC的功能陽極,可以有效提供擴散元素,抑制GDC電解質(zhì)電子電導(dǎo)。研究還發(fā)現(xiàn),可以通過簡單的管控?zé)Y(jié)程序即可在1300-1400℃之間調(diào)控功能層厚度,以達到形成最優(yōu)功能層的目的。掃描電鏡觀察結(jié)果直觀地反映出了陽極電解質(zhì)之間擴散功能層的元素分布情況,為接下來有效調(diào)控該功能層提供了寶貴經(jīng)驗。第三章,通過改變陽極組分等途徑,調(diào)控擴散功能層的厚度,達到有效提升氧化鈰基SOFCs性能的目的。利用元素擴散可以調(diào)控氧化鈰基SOFCs性能,但是目前的實現(xiàn)手段較為有限,調(diào)配功能陽極組分配比是一種簡單有效的方法。本章中將氧離子導(dǎo)體引入功能陽極,開發(fā)出一類"電子-質(zhì)子-氧離子"三相復(fù)合導(dǎo)體NiO-(1-x)BZCG-xGDC。實驗結(jié)果表明:該復(fù)合功能陽極可以有效提升氧化鈰基SOFC性能。同時,通過調(diào)配氧離子導(dǎo)體在混合導(dǎo)體中的比重,可以達到改變擴散功能層厚度的目的。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn),在NiO占比60%(重量比)的陽極中,x=20 mol%最為合適。通過找到氧離子導(dǎo)體在混合導(dǎo)體中的最佳比例,可以實現(xiàn)氧化鈰基SOFC電池性能的大幅提高。第四章,尋找新的復(fù)合陽極,并驗證第三章中既得結(jié)果。需要驗證的結(jié)果包括:(1)x=20%是否具有普遍性;(2)元素擴散在陽極成分改變時的表現(xiàn)情況。因此,本章選擇NiO-(1-x)BZCY-xYSZ為新的復(fù)合陽極。該陽極類型與第三章類似,同為"電子-質(zhì)子-氧離子"三相導(dǎo)體。研究結(jié)果表明,通過改變組分間配比,可以實現(xiàn)此復(fù)合陽極調(diào)控陽極電解質(zhì)之間元素擴散層厚度的目標(biāo),并以此調(diào)變氧化鈰基SOFC的整體性能。在本章的研究中,x=20%為最佳比例的結(jié)果同樣成立。因此,本章得出結(jié)論:在混合導(dǎo)體中質(zhì)子導(dǎo)體是元素擴散的來源,同時輔以氧離子導(dǎo)體可以有效調(diào)控擴散層,同時達到大幅提升電池性能的目的。上述系列結(jié)果為系統(tǒng)掌控SOFC元素擴散的關(guān)鍵問題研究提供了有效的實驗支持。第五章,微觀機理研究。本章通過系統(tǒng)實驗研究,挖掘陽極元素擴散的根本原因;觀察陽極以及陽極與電解質(zhì)界面處的微觀結(jié)構(gòu)和成分構(gòu)成,并在此基礎(chǔ)上得出氧化鈰基SOFCs研究中元素擴散的關(guān)鍵機理。本章中采用NiO-BZCY陽極,研究此類功能陽極在高溫?zé)Y(jié)過程中的元素擴散的種類、途徑、去向和陽極與電解質(zhì)界面處功能層的微觀結(jié)構(gòu)成因。研究結(jié)果表明:元素擴散是從陽極出發(fā)到達陽極與電解質(zhì)界面處,通過高溫條件下的原位反應(yīng)在陽極電解質(zhì)界面電解質(zhì)內(nèi)部形成了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的正交相BaCe03基氧化物,該成分是功能層可以有效阻隔電子的根本原因。第六章,全文總結(jié)與展望。本章中對以元素擴散為基礎(chǔ)的氧化鈰基SOFCs研究做了前沿研究展望,闡述了進一步開展陽極元素擴散研究的具體問題以及優(yōu)化電池性能的研究對策;對以陽極元素擴散為基礎(chǔ)的SOFCs研究做了拓展概述;本章同時指出本論文研究結(jié)果對于相關(guān)研究的可借鑒性;就元素擴散機理的關(guān)聯(lián)應(yīng)用做了概括性說明,對在元素擴散機理方面的深入研究指明了方向。
[Abstract]:......
【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】：2017
【分類號】：O614.332;TM911.4

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