氧化鈰基中溫固體氧化物燃料電池的陽極和電解質(zhì)材料研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種能夠清潔、高效地將儲存在各種燃料如氫氣、碳氫化合物、煤氣、生物質(zhì)氣等中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。毫無疑問,SOFC作為能量供應(yīng)裝置的大規(guī)模應(yīng)用必然能夠有效緩解日益嚴峻的環(huán)境污染以及化石燃料的消耗。
   在本論文的第一章中,我們將對SOFC的基本知識以及各主要的組分材料進行陳述。在此基礎(chǔ)上指出,要實現(xiàn)SOFC技術(shù)的商業(yè)化,必須將其操作溫度由傳統(tǒng)的800~1000℃降低到700℃甚至更低

2、,這就需要大力發(fā)展在中低溫時具有更高性能的電極和電解質(zhì)材料。正是基于這一點,在本論文之后的章節(jié)中,我們將分別致力于對納米顆粒浸漬能夠改善Ni基陽極性能根源的揭示(第二章),對采用甘氨酸-硝酸鹽法(GNP)合成氧化釤摻雜的氧化鈰(SDC)電解質(zhì)粉體工藝的優(yōu)化(第三章),于更低燒結(jié)溫度下制備SDC電解質(zhì)基單電池(第四章),以及簡化的三層不銹鋼支撐單電池的研制(第五章)等工作,以期能夠?qū)χ械蜏豐OFC技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化進程起到一定的促進作用。

3、
   已有許多研究證明向SOFC的陽極中浸漬氧化物納米顆粒能夠改善其電化學(xué)性能。不過,截至目前,人們?nèi)圆磺宄@種改善究竟是源于浸漬的納米顆粒對陽極反應(yīng)活性區(qū)域(三相界面)的擴展還是對其催化活性的提高。因此,在本論文的第二章中,我們分別制備了SDC、純二氧化鈰、氧化釤和氧化鋁這幾種不同氧化物浸漬的Ni基陽極來對比研究這兩種效應(yīng)。在研究中我們發(fā)現(xiàn),除Al2O3外,其余三種氧化物納米顆粒的浸漬均能有效改善陽極對氫氣氧化反應(yīng)的催化活性

4、。同時,具有CeO2和Sm2O3浸漬陽極的單電池能夠表現(xiàn)出與通過SDC浸漬陽極的單電池差不多的輸出性能,當(dāng)這些氧化物顆粒的浸漬量達到最佳值~1.7 mmolcm-3時,電池會表現(xiàn)出最高的輸出性能,峰功率密度均在750 mWcm-2左右。這就說明浸漬后陽極性能的提高主要是源于其電化學(xué)催化活性的顯著提高,而非三相界面的擴展。同時,這些研究也再次證明濕化學(xué)浸漬法確實是一種高效的向SOFC陽極骨架中引入具有高催化活性的納米氧化物顆粒以提高電池輸

5、出性能和穩(wěn)定性的修飾工藝。
   另外,由于摻雜的氧化鈰材料在低溫時具有比經(jīng)典的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)電解質(zhì)更高的氧離子電導(dǎo)率,許多研究者也致力于發(fā)展采用這種薄膜電解質(zhì)的單電池,其中一種較為簡便的方法便是采用共壓-共燒工藝直接在多孔陽極襯底上制備致密電解質(zhì)層,能夠大大降低生產(chǎn)成本。不過對于這種制備工藝而言,最為關(guān)鍵的便是要合成出具有盡可能低的松裝密度的電解質(zhì)粉體,通常是由甘氨酸-硝酸鹽法(GNP)來實現(xiàn)的。在本論文的第三章

6、中,我們發(fā)現(xiàn)采用適當(dāng)比例的Ce(NO3)3和Ce(NH4)2(NO3)6作為混合鈰源能夠合成出便于制備高密度高性能的電解質(zhì)薄膜的具有低松裝密度和高氧離子電導(dǎo)率的SDC粉體。其中,當(dāng)這兩種鈰源的摩爾比為1∶1時,所合成出的SDC粉體易于被燒結(jié)致密,同時能夠表現(xiàn)出最高的的電導(dǎo)率(在600和800℃時分別為~0.020和~0.084 Scm-1)和最低的電導(dǎo)活化能(~0.70eV)。而當(dāng)Ce(NO3)3和Ce(NH4)2(NO3)6的摩爾比為

7、3∶1時,所合成出的SDC粉體具有最低的松裝密度(36.0±0.5 mgcm-3),最適宜于在多孔陽極襯底上制備致密的SDC電解質(zhì)薄膜,這也正是在低成本前提下制備高性能SOFC最為重要的一步。
   對于SDC電解質(zhì)材料而言,限制其應(yīng)用的一項重要缺陷便是其燒結(jié)活性較差,很難在1500℃以下燒結(jié)得足夠致密。因此,許多研究者也致力于改進SDC粉體的燒結(jié)活性,以期有效的降低其燒結(jié)溫度,在優(yōu)化電極微結(jié)構(gòu)的同時,抑制甚至消除電池組分間的不

8、利相互擴散和反應(yīng)。在本論文的第四章中,我們采用第三章中使用75mol%Ce(NO3)3和25mol%Ce(NH4)2(NO3)6作為混合鈰源所合成出的具有最低松裝密度的高活性SDC粉體,借助共壓-共燒工藝成功于1150℃的低溫制備出了高性能的SOFC單電池。并且,由于燒結(jié)溫度的降低,電池的陽極具有更合適的孔隙率和粒徑,從而具有更佳的微結(jié)構(gòu)以及與電解質(zhì)層更優(yōu)的連接性,使得電池的歐姆阻抗和極化阻抗均顯著降低,大大提高電池輸出性能。此外,我們

9、還發(fā)現(xiàn),當(dāng)電池于650℃的高溫進行工作時,其于高電流密度區(qū)域的濃差極化也會得到很好的緩解。
   近些年,由于具有更好的機械強度,對急速熱循環(huán)和氧化還原周期更好的抵抗力,以及更低的成本,一些金屬支撐構(gòu)型單電池的研制也受到越來越多的關(guān)注。通常狀況下,這些金屬支撐構(gòu)型單電池都包括金屬支撐體、陽極、電解質(zhì)和陰極這四層結(jié)構(gòu)。在本論文的最后一章,我們設(shè)計了一種簡化的無需陽極功能層的三層結(jié)構(gòu)的不銹鋼支撐構(gòu)型。具體的,我們先通過共燒工藝制備出

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