论文部分内容阅读
随着传统化石能源的快速消耗和环境污染的与日俱增,开发清洁可靠的新能源技术受到了世界各国的广泛关注。其中固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)是一种目前公认的最有前途的新能源技术之一。传统SOFC的运行温度在700～1000℃之间,这种高的运行温度使得SOFC电池堆成本很高,且稳定性存在问题。降低SOFC的运行温度是近年来科学家们提出的解决SOFC商业化问题的研究方向之一。但降低运行温度受到电解质低温低电导率的制约,并且低运行温度下阴极材料对氧还原反应的催化活性大大降低,阻碍了燃料电池的大规模商业应用。当前降低SOFC运行的温度的两种主要方案包括:(1)利用先进的薄膜制备技术使现有的电解质材料薄膜化,从而降低欧姆阻抗。但是复杂的薄膜化工艺会显著增加SOFC的制备成本;电解质薄膜化也会带来电池堆长期稳定性方面的问题。(2)开发新型电解质材料或结构和新的阴极材料。本文以高温致密化的Ce0.9Gd0.1O2-δ(GDC)为电解质支撑体,涂覆有层状结构材料 Ni0.8Co0.15Al0.05LiO2(NCAL)的泡沫镍作为电极,制备了结构为 foam Ni-NCAL/GDC/NCAL-foam Ni的新型结构固体氧化物燃料电池。通过对电池的电化学性能测试和对电极材料物性表征的方法研究了泡沫镍-NCAL电极对电池阴极侧的氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)和阳极侧的氢氧化反应(hydrogen oxidation reaction,HOR)的作用机理及NCAL电极的高温稳定性。除此之外,本文制备了两种具有相同电池结构(foam Ni-NCAL/GDC/NCAL-foam Ni)、不同GDC电解质结构的电池。在两种电池中,其中一种电解质是经过1550℃烧结致密化的GDC电解质(GDC-A),另一种电解质是仅通过360MPa的压力压制并在电池性能测试温度下烧结的GDC电解质(GDC-B)。通过对比两种不同结构GDC电解质电池的电化学性能研究了未经高温烧结致密化的GDC电解质的离子传导机理。具体内容如下:(1)采用0.5mm厚的Ni0.8Co0.15Al0.05LiO2(NCAL)和泡沫镍制成的复合电极,制备了以Ce0.9Gdo.1O2-δ为电解质的对称电池。使用三电极法测试了电池的电化学性能和电化学阻抗谱(EIS)。在550和500℃时,电池的最大功率密度分别为159.7和93.6mW·cm-2。在550和500℃时,阴极的极化电阻分别为0.393和0.729Q·cm-2,表明NCAL具有良好的ORR催化活性。NCAL的HT-XRD结果显示其在电池运行温度下没有发生相变,也没有生成其它新相,表明NCAL具有良好的高温稳定性。XPS和FTIR表征结果显示NCAL由于长时间暴露在空气中,材料表面含有大量的氧空位,在层状NCAL表面生成了 Li2CO3和阳离子无序的类似NiO结构的新相。研究发现Li2CO3在温度高于460℃开始软化或者部分熔融,因此在电池运行温度下处于软化状态的Li2CO3和含有大量氧空位的类NiO相使得NCAL电极具有非常高的氧离子电导率和很好的ORR催化活性。(2)本研究制备了两种具有相同电池结构(foam Ni-NC AL/GDC/NC AL-foam Ni)、不同GDC电解质微观结构的单体电池。在两种电池中,其中一种GDC电解质是经过1550℃烧结致密化的电解质,另一种GDC电解质仅通过360MPa的压力压制并在电池性能测试温度下烧结。实验结果显示以高温致密化的GDC为电解质的电池在550℃氢气燃料中的最大功率密度为167.3 mW·cm-2;以共压法制备且未经高温烧结的GDC为电解质的电池在550℃氢气燃料中的功率密度为591.8 mW·cm-2。粉体压制成型的GDC电解质的离子电导率是1550℃高温烧结致密化GDC电解质的大约10倍左右。并且粉体压制成型的GDC电解质的离子传导激活能远低于高温烧结致密化的GDC电解质。利用对同时具有高温致密化GDC和粉体压制成型GDC两层电解质的单电池的电化学性能研究得知,粉体压制成型GDC电解质中的主要载流子应该还是氧离子。通过SEM和XPS表征结果及对两种不同结构GDC电解质的离子传导机理分析,推测离子的界面或表面传导或扩散应该是未经高温烧结致密化的GDC电解质的离子传导机理。