質子導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)可以將燃料中化學能直接轉化為我們可以使用的電能，是一種清潔高效的能量轉換裝置。當今社會，在能源危機和環(huán)境惡化的雙重壓力下，SOFC的研究和應用具有重要的意義。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800～1000℃，導致電池組啟動時間長，制備和運行成本高，而且電池組分間擴散和老化現(xiàn)象嚴重。實現(xiàn)SOFC低溫化操作是當前SOFC發(fā)展的重中之重。根據(jù)電解質傳導離子的不同，SO

2、FC又可分為氧離子型SOFC(O-SOFC)和質子型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)即電解質化學穩(wěn)定性下降和電池電輸出性能較低等，并以此為依據(jù)通過對質子導體材料組分改性以及對P-SOFC微結構優(yōu)化來提高電解質化學穩(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進行了介紹，從P-SOFC的電解質，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。在此基礎上確立了本論文的主要研究方向，即:1）探索電解質組分改性研究，提高電解質化學穩(wěn)定性;2）電極微結構優(yōu)化研究，加快電極反應速率，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

4、子導體化學穩(wěn)定性及質子電導率的問題，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。結果顯示氟離子摻雜不僅有利于提高BCS(BaCe0.8Sm0.2O3-δ)的化學穩(wěn)定性，而且促進了復合電極中的質子遷移過程，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穩(wěn)定性。此外，我們利用內標法對塊體BCS材料與CO2反應的過程進行了分析，發(fā)現(xiàn)反應過程中表面反應階段的反應速率遠高于體相反應速率。這可能會導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反應并發(fā)生分解。
　　(3)第三章基于P-SOFC陰極反應的速度控制步驟研究，采用浸漬法對陰極的微結構進行優(yōu)化，加速電極反應速率。通過在SSC-SDC復合陰極表面浸漬 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?？纱龠M氧離子表面遷移過程。
　　(4)第四章成功應用相轉化-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構的陽極支撐體。以此為基礎制備的單電池(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。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、好地促進碳氫燃料的輸運，并對其氧化反應具有很好的催化性。
　　(5)第五章證明了Ba2Co9O14(BCO)作為質子導體SOFC陰極的可行性。研究結果表明，在中溫SOFC的溫度范圍(650℃～750℃)內，BCO與質子導體電解質BZCY具有較好的化學相容性。BCO/BZCY復合陰極極化電阻隨BCO含量改變而改變，當復合陰極中含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