低溫陶瓷燃料電池氧化鈰基復(fù)合電解質(zhì)與電極材料研究.pdf

1、天津大學(xué)博士學(xué)位論文天津大學(xué)博士學(xué)位論文低溫陶瓷燃料電池低溫陶瓷燃料電池氧化鈰基氧化鈰基復(fù)合電解質(zhì)與復(fù)合電解質(zhì)與電極材料研究電極材料研究Studyonceriabasedcompositeelectrolyteelectrodematerialsflowtemperatureceramicfuelcells一級(jí)學(xué)科：化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科專(zhuān)業(yè)：化學(xué)工藝作者姓名：范梁棟指導(dǎo)教師：王成揚(yáng)教授朱斌教授天津大學(xué)研究生院二零一二年十一月摘要作為一種將

2、化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，固體氧化物燃料電池（SOFC）或陶瓷燃料電池（CFC）因?yàn)橛休^高能源利用效率、低環(huán)境影響和燃料靈活等特點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。當(dāng)前SOFC發(fā)展趨勢(shì)是低溫操作以降低系統(tǒng)的成本和提高其穩(wěn)定性，從而與現(xiàn)有的能源轉(zhuǎn)換方式相競(jìng)爭(zhēng)。然而，低溫操作需要高離子導(dǎo)電電解質(zhì)和高催化活性電極，這已經(jīng)成為發(fā)展低溫SOFC的挑戰(zhàn)課題并極大限制了其商業(yè)化進(jìn)程。摻雜氧化鈰碳酸鹽復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)能有效地提高離子導(dǎo)電率和解決單相電解質(zhì)材料一

3、些缺陷，因此成為實(shí)現(xiàn)SOFC商業(yè)化的新途徑。本論文從氧化鈰碳酸鹽復(fù)合材料出發(fā)，研究了不同摻雜氧化鈰前驅(qū)體對(duì)其電化學(xué)性能的影響；發(fā)展了Pr2NiO4Ag和ZnO修飾的鋰化氧化鎳兩種用于氧化鈰碳酸鹽電解質(zhì)基CFC的高效陰極材料；提出分析多離子導(dǎo)電體系離子導(dǎo)電研究普適方法修飾的Wagner直流極化法。對(duì)氧化鈰碳酸鹽復(fù)合物的離子導(dǎo)電率、混合離子導(dǎo)電行為和可能的離子導(dǎo)電機(jī)理以及基于復(fù)合電解質(zhì)與不同電極材料的單電池的電化學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)分析與研究，

4、以達(dá)到對(duì)摻雜氧化鈰碳酸鹽復(fù)合電解質(zhì)材料的進(jìn)一步理解和促進(jìn)這類(lèi)新型電解質(zhì)材料的實(shí)際應(yīng)用。主要研究結(jié)果如下：不同制備方法制備的釤摻雜氧化鈰(LiNa)2CO3復(fù)合電解質(zhì)材料因前驅(qū)體的不同在電化學(xué)性能有較大的差異。基于納米復(fù)合方法制備的電解質(zhì)擁有最小的顆粒尺寸和最均勻的物相分布，因此獲得最高的離子導(dǎo)電性。以納米復(fù)合方法獲得的復(fù)合電解質(zhì)基CFC在600oC給出了839mW?cm2的最大功率密度。采用檸檬酸燃燒法制備的次之，固相反應(yīng)法最差，但是都

5、遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SDC電解質(zhì)基單電池的電化學(xué)性能。Pr2NiO4與復(fù)合電解質(zhì)在650oC以下化學(xué)兼容良好。基于Pr2NiO4陰極的單電池在600oC具有652mW?cm2的最大功率密度，同其它鈣鈦礦陰極相比提高了很多，與經(jīng)典鋰化氧化鎳陰極材料相當(dāng)。添加10wt%活性Ag催化劑的Pr2NiO4Ag復(fù)合材料降低Pr2NiO4電極的電荷轉(zhuǎn)移和質(zhì)量擴(kuò)散阻抗，因此進(jìn)一步提高了陰極的電催化活性。期望通過(guò)改善Ag浸漬工藝和組成獲得更高的電化學(xué)性能。ZnO摻雜