質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池的低溫化研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)可以將燃料中化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為我們可以使用的電能，是一種清潔高效的能量轉(zhuǎn)換裝置。當(dāng)今社會，在能源危機(jī)和環(huán)境惡化的雙重壓力下，SOFC的研究和應(yīng)用具有重要的意義。但是SOFC商業(yè)化的步伐一直較為緩慢，這主要是由于傳統(tǒng)的SOFC工作溫度高達(dá)800～1000℃，導(dǎo)致電池組啟動時間長，制備和運行成本高，而且電池組分間擴(kuò)散和老化現(xiàn)象嚴(yán)重。實現(xiàn)SOFC低溫化操作是當(dāng)前SOFC發(fā)展的重中之重。根據(jù)電解質(zhì)傳導(dǎo)離子的不同，SO

2、FC又可分為氧離子型SOFC(O-SOFC)和質(zhì)子型SOFC(P-SOFC)。與傳統(tǒng)的O-SOFC相比，P-SOFC具有較低的離子傳導(dǎo)活化能，因而更適合在低溫下操作。本論文以P-SOFC的低溫化運行為研究重點，剖析了P-SOFC在降低工作溫度過程中面臨的困難與挑戰(zhàn)即電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性下降和電池電輸出性能較低等，并以此為依據(jù)通過對質(zhì)子導(dǎo)體材料組分改性以及對P-SOFC微結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性，降低電極極化電阻，提高電池性能和壽命。本

3、論文主要研究結(jié)果如下:
　　(1)第一章介紹了SOFC的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)，并重點對P-SOFC進(jìn)行了介紹，從P-SOFC的電解質(zhì)，陰極，陽極材料三個方向分析了P-SOFC所面臨的問題以及解決問題的途徑。在此基礎(chǔ)上確立了本論文的主要研究方向，即:1）探索電解質(zhì)組分改性研究，提高電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性;2）電極微結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，加快電極反應(yīng)速率，提高電池輸出性能。
　　(2)第二章針對傳統(tǒng)的B位陽離子摻雜無法同時提高BaCeO3基質(zhì)

4、子導(dǎo)體化學(xué)穩(wěn)定性及質(zhì)子電導(dǎo)率的問題，采用獨特的氟離子摻雜的方式，利用F-部分取代氧化物中的O2-，降低氧化物的路易斯堿性，完善對氧化物穩(wěn)定性的改性研究。結(jié)果顯示氟離子摻雜不僅有利于提高BCS(BaCe0.8Sm0.2O3-δ)的化學(xué)穩(wěn)定性，而且促進(jìn)了復(fù)合電極中的質(zhì)子遷移過程，提高單電池的電性能和運行穩(wěn)定性。700℃時，最大功率密度為420 mW cm-2，單電池經(jīng)過140小時的開路電壓穩(wěn)定性測試，開路電壓僅由0.99 V緩慢降至0.96

5、 V，與BCS相比，顯示出了良好的電性能與化學(xué)穩(wěn)定性。此外，我們利用內(nèi)標(biāo)法對塊體BCS材料與CO2反應(yīng)的過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)過程中表面反應(yīng)階段的反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于體相反應(yīng)速率。這可能會導(dǎo)致處于具有較大比表面積的陰極粉體中的鈰酸鋇組分更容易與CO2反應(yīng)并發(fā)生分解。
　　(3)第三章基于P-SOFC陰極反應(yīng)的速度控制步驟研究，采用浸漬法對陰極的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，加速電極反應(yīng)速率。通過在SSC-SDC復(fù)合陰極表面浸漬 SSC納米粒子，成功

6、地降低了對稱電池的極化阻抗，700℃時電極極化阻抗由1.14Ωcm2降至0.234Ωcm2，且反應(yīng)活化能由1.14eV降至0.78eV。阻抗譜分析研究表明，極化阻抗的減小主要來源于SSC納米浸漬顆粒可促進(jìn)氧離子表面遷移過程。
　　(4)第四章成功應(yīng)用相轉(zhuǎn)化-流延法制備了平板狀P-SOFC陽極支撐體，制備了同時具有陽極功能層及指孔結(jié)構(gòu)的陽極支撐體。以此為基礎(chǔ)制備的單電池(BZCY35-LSCF/BZCY35/BZCY35-Ni)性能

7、優(yōu)異，700℃時最高功率密度為746mW cm-2，極化阻抗僅為0.04Ω cm2;重要的是，該電池在低溫下也具有優(yōu)異性能，500℃時，最高功率密度為192mWcm-2。對阻抗譜數(shù)據(jù)的DRT分析表明，高溫下電池的極化電阻幾乎都來自于陰極極化，而低溫下，陽極極化對電池極化電阻也有貢獻(xiàn)。使用甲醇作為燃料時，單電池也具有較好的放電性能，700℃時最大功率密度達(dá)到500 mW cm-2，極化阻抗僅為0.11Ω cm2，這表明指孔狀陽極支撐體能很

8、好地促進(jìn)碳?xì)淙剂系妮斶\，并對其氧化反應(yīng)具有很好的催化性。
　　(5)第五章證明了Ba2Co9O14(BCO)作為質(zhì)子導(dǎo)體SOFC陰極的可行性。研究結(jié)果表明，在中溫SOFC的溫度范圍(650℃～750℃)內(nèi)，BCO與質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)BZCY具有較好的化學(xué)相容性。BCO/BZCY復(fù)合陰極極化電阻隨BCO含量改變而改變，當(dāng)復(fù)合陰極中含70％BCO時，界面極化最小。以此為陰極，750℃時，單電池的極化電阻為0.07Ω cm2，最大輸出功率密