固体氧化物燃料电池梯度阴极及复合电解质的研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell, SOFC）,在将氢燃料的化学能转化为电能的电化学过程中,是一种最为有效的设备,具有高功率密度、低排放等优点。SOFC分为氧离子电导SOFC （SOFC-O）、质子电导SOFC （SOFC-H）及混合电导SOFC。本文针对SOFC的一个研究方向中低温化,对SOFC-O的梯度化阴极以及SOFC-H的复合电解质进行了研究。（1）SOFC-O梯度化阴极的研究在中低温条件下电解质薄膜化后,影响电池效率的主要因素是电极的催化活性和极化损失。由于降低SOFC的工作温度会使电池的阴极极化电阻迅速增大,因此必须降低阴极极化电阻来确保SOFC在中低温条件下获得理想的电化学性能。为了降低电极极化电阻,本文采用离子和电子混合电导的电极材料（SSC-SDC）及优化电极微观结构,即制备功能梯度多层阴极。结果表明,复合浆料旋涂结合热处理可以有效地在基板表面制备出复合阴极层,且制备的阴极层与基板结合良好；通过使用氨基乙酸法和固相合成法制备的粉末,实现了阴极中晶粒尺度的调控；通过控制浆料中SSC和SDC相对含量获得了组分梯度；控制造孔剂含量有效地实现孔隙度的调控,从而获得在中低温SOFC中具有良好应用价值的梯度阴极。（2）SOFC-H复合电解质的研究采用质子电导电解质是中低温SOFC发展的一个趋势。本文对用于质子交换膜燃料电池的质子电导玻璃与常规的陶瓷基质子电导材料进行复合,以综合利用两者分别在低温以及中低温条件下质子电导特性,综合两者不同的质子电导机制,从而扩展SOFC工作温度范围。实验结果表明,复合电解质的烧结温度降低,致密度提高。复合电解质的电导率较高,成分为100%BCZY电解质的电导率则相对较低。就输出性能而言,玻璃的掺入,使单电池在更宽的工作温度范围内有更高更稳定的输出性能,有效实现了SOFC的中低温化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池概述
• 1.1.1 燃料电池的特点
• 1.1.2 燃料电池的分类、工作原理及其热力学和动力学
• 1.1.3 燃料电池技术发展概况
• 1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）
• 1.2.1 SOFC的结构
• 1.2.2 SOFC的工作原理
• 1.2.3 SOFC的发展趋势
• 1.2.4 中低温SOFC面临的主要问题
• 1.3 氧离子电导固体氧化物燃料电池（SOFC-O）
• 1.3.1 SOFC-O的工作原理
• 1.3.2 SOFC-O的研究现状
• 1.3.3 SOFC-O的关键材料
• 1.3.4 中低温SOFC-O面临的主要问题
• 1.3.5 中低温SOFC-O的结构设计和阴极微观结构的优化研究
• 1.4 氢离子电导固体氧化物燃料电池（SOFC-H）
• 1.4.1 SOFC-H的工作原理
• 1.4.2 SOFC-H的研究现状
• 1.4.3 SOFC-H的关键材料
• 1.4.4 SOFC-H面临的主要问题
• 1.4.5 SOFC-H的结构设计及电解质优化
• 1.5 本论文的工作思路
• 1.5.1 中低温SOFC-O阴极的梯度化设计
• 1.5.2 SOFC-H电解质的优化设计——传导机制及组分复合
• 第二章 实验准备与表征方法
• 2.1 实验准备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 硝酸盐溶液的配制
• 2.2 电极和电解质粉体材料的表征方法
• 2.2.1 X射线衍射（XRD）
• 2.2.2 扫描电子显微镜分析（SEM）
• 2.3 烧结体的表征方法
• 2.3.1 扫描电子显微镜分析（SEM）
• 2.3.2 能谱定量分析（EDS）
• 2.3.3 拉曼光谱分析
• 2.3.4 烧结体密度的测定——体积密度法
• 2.3.5 电导性能测试
• 2.4 单电池性能的表征方法
• 2.4.1 单电池组装与性能测试
• 2.4.2 交流阻抗分析
• 2.4.3 单电池I-V-P性能测试
• 第三章 SOFC-O梯度阴极的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.1.1 梯度阴极的意义
• 3.2 SOFC-O阴极粉体材料的制备与表征
• 3.2.1 SOFC-O阴极粉体材料的制备
• 3.2.2 SOFC-O阴极粉体材料的表征
• 3.3 制备SSC-SDC复合旋涂浆料
• 3.4 梯度化阴极的制备与表征
• 3.4.1 旋涂法结合高温煅烧制备梯度阴极
• 3.4.2 梯度阴极的表征
• 3.5 本章小结
• 第四章 SOFC-H复合电解质的制备与材料表征
• 4.1 引言
• 4.1.1 复合电解质的意义
• 4.2 SOFC-H电解质材料的制备
• 0.3Zr_0.5Y_0.2O_3-x的制备'>4.2.1 陶瓷材料BaCe_0.3Zr_0.5Y_0.2O_3-x的制备
• 2-P₂O₅-SiO₂的制备——溶胶-凝胶法（Sol-gel）'>4.2.2 玻璃材料HPAs/TiO₂-P₂O₅-SiO₂的制备——溶胶-凝胶法（Sol-gel）
• 4.3 混合质子电导玻璃的陶瓷基电解质的制备
• 4.3.1 质子电导玻璃混合的陶瓷基电解质的制备
• 4.3.2 致密电解质薄膜的制备技术
• 4.4 质子电导玻璃混合的陶瓷基电解质的表征
• 4.4.1 成分表征
• 4.5 质子电导玻璃的混合对陶瓷基电解质的影响
• 4.5.1 致密度与烧结温度
• 4.6 本章小结
• 第五章 SOFC-H复合电解质的电化学性能
• 5.1 引言
• 5.2 质子电导玻璃混合的陶瓷基作为电解质的单电池的电化学性能
• 5.2.1 阻抗谱分析
• 5.2.2 电导率和电导活化能
• 5.2.3 半圆圆心低于实轴现象
• 5.2.4 单电池的I-V-P曲线
• 5.2.5 单电池的稳定性
• 5.2.6 在测试前后,单电池的微观结构表征
• 5.3 改进设想
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果