中低温固体氧化物燃料电池CeO2基复合电解质研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种全新高效而清洁的发电装置,是举世公认的二十一世纪绿色电池。然而做为核心组成,传统的电解质Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）,操作温度在1000℃左右,具有较低电导率,成本居高不下;最近,一种新型的中低温固体氧化物燃料电池（ITSOFC）受到普遍关注,其操作温度在400600℃,大大降低了成本,提高了稳定性,延长了寿命。是未来SOFC发展的趋势。本文使用的中低温电解质材料为质子-离子传导型DCO-无机盐复合体。低的造价是实现产业化的关键,因此对工艺改进,过程参数的控制,结构形貌的分析,性能的测量等就显得尤为重要。本文探讨的是碳酸盐共沉淀法制备纳米级SDC-碳酸盐复合粉体电解质的制备工艺,结构表征,电导率的测量及性能等。1.本文首先对Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）的合成工艺进行优化:使用碳酸盐共沉淀法,以Na2CO3为共沉淀剂,反滴定法测得pH为8时棒状沉淀颗粒最均匀,团聚最少。采用超声波粉碎机粉碎为30nm以下纳米级块状SDC粉体。压制电解质片后在1300℃煅烧相对密度达到96.44%。2.致密性是表征电解质材料好坏的关键。用透氢膜测量透氢率来表征其致密性。制备SDC-（Li/Na）2CO3复合电解质体,在400-600℃,尝试不同碳酸盐含量及SDC颗粒大小对电解质致密性能的影响,确定20wt%碳酸盐含量的纳米颗粒致密性最高。透氢率最低达到2.85*10-6 mol/m2*s*Pa。3.运用电解质支撑构造Ag （涂覆）/混合电极/电解质/混合电极/Ag （涂覆）对称SOFC。测量其电性能。得到550℃下,1.12W/cm2的超高电池功率,为同类型电池最高性能值。开路电压1.065V,极限放电电流密度3093.75mA/cm2。尝试薄膜电池工艺,使用涂覆法热压技术,测得功率密度为272.6mWcm-2。4.首次使用Wagner极化法构造H2、O2源体系测量离子电导率,在此复杂体系下,是一个多离子传导(含Li+、Na+、CO32-杂离子)过程。而使用交流阻抗测得为体系总导率。本文描述了质子和氧离子传导的极化过程以及用Faraday定律验证最大极化时间,得到质子比氧离子在450-550℃电导率高2-4倍。且与总电导率在相同数量级上。进一步证明了质子的界面传导效应和氧离子晶格传导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 燃料电池概述
• 1.1.1 燃料电池原理
• 1.1.2 燃料电池发展历史
• 1.1.3 燃料电池的特点
• 1.1.4 燃料电池的分类
• 1.2 固体氧化物燃料电池工作原理
• 1.3 固体氧化物燃料电池的结构设计
• 1.3.1 管式SOFC
• 1.3.2 平板式SOFC
• 1.3.3 瓦楞式SOFC
• 1.4 固体氧化物燃料电池关键材料
• 1.4.1 阴极材料
• 1.4.2 阳极材料
• 1.4.3 连接体材料
• 1.4.4 密封材料
• 1.5 中低温固体氧化物燃料电池研究现状及关键材料电解质研究进展
• 1.5.1 氧离子传导型SOFC 的电解质材料
• 1.5.2 质子传导型SOFC的电解质材料
• 1.5.3 无机盐－氧化物复合物（SOC）电解质
• 1.5.4 质子-氧离子共传导电解质
• 1.6 本论文研究出发点和意义
• 第二章 纳米级陶瓷粉体及其复合物的制备
• 2.1 引言
• 2.1.1 纳米陶瓷粉体的制备方法
• 0.8Sm_0.2O_1.9-碳酸盐复合电解质的制备'>2.1.2 Ce_0.8Sm_0.2O_1.9-碳酸盐复合电解质的制备
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料，仪器，试剂
• 2.2.2 材料表征方法测试装置及实验设备
• 2.2.3 粉体制备
• 2.2.4 测试方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 碳酸钠/金属摩尔与氧气量的理论计算
• 2.3.2 pH值对SDC粉体的物相影响
• 2.3.3 经后处理的纳米级粉碎效果
• 2.3.4 烧结体的微结构分析
• 2.3.5 不同条件下相对密度的测量
• 0.8Sm_0.2O_1.9-碳酸盐复合电解质研究'>2.3.6 Ce_0.8Sm_0.2O_1.9-碳酸盐复合电解质研究
• 2CO₃电解质燃料电池的性能'>第三章 基于SDC-（Li/Na）₂CO₃电解质燃料电池的性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器及原料
• 3.2.2 单电池的制备
• 3.2.3 测试装置和方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 电解质支撑的高性能燃料电池性能表征
• 3.3.2 薄膜电池性能
• 第四章 复合电解质电导率及多离子体系中的传输性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器及原料
• 4.2.2 测试装置
• 4.2.3 样品制备
• 4.2.4 测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 交流电导率特性
• 4.3.2 燃料电池测试表征电导率
• 4.3.3 Wager极化测直流电导率
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢