论文部分内容阅读
作为21世纪最有发展前景的新能源之一,固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）能够直接将燃料中的化学能环境友好地转换为电能,可以有效的减小环境污染。传统SOFCs通常由Ni-YSZ金属陶瓷阳极、YSZ电解质和LSM阴极材料组成。Ni基固体氧化物燃料电池阳极材料在以氢气为燃料时能够表现出良好的催化性能和长期稳定性能;然而,在使用碳氢燃料时,Ni基阳极表面容易产生积碳或硫中毒等问题,大大限制Ni基阳极的发展。为解决传统固体氧化物燃料电池在使用碳氢燃料时所产生的积碳和硫中毒等问题,采用氧化还原稳定的电极材料同时作为阴极和阳极材料,即采用对称固体氧化物燃料电池（Symmetrical Solid Oxide Fuel Cell,SSOFC）构型的思路通过气路转换的方式来将在阳极侧产生的积碳和硫化物排除,使得SOFC能够长期稳定的在碳氢燃料气氛下工作。基于简单钙钛矿的结构特点以及对称固体氧化物燃料电池的优势,本文主要针对Mn基和Fe基钙钛矿电极材料体系的设计和电池性能的优化进行研究。整个文章的结构可以分为以下几个方面:论文第一章简要介绍了对称固体氧化物燃料电池的研究背景、研究现状和未来发展趋势。重点对对称固体氧化物燃料电池的工作要求以及各部件的研究现状进行了阐述。论文第二章采用传统的阴极材料La0.8Sr0.2MnO3-δ（LSM）同时作为阴极和阳极材料,采用降低工作温度的方式,使得原本高温氧化还原不稳定的LSM电极材料在中低温下变得稳定。此外,通过在LSM电极材料中复合离子导体相的Gd0.2Ce0.8O2-δ（GDC）粉体,以增大三相反应界面,使得LSM-GDC复合电极材料在800℃时空气和氢气气氛下的界面极化阻抗分别由3.03Ωcm2和10.49Ωcm2相应降低至1.44Ωcm2及4.19Ωcm2。同样地,单电池的输出功率密度从67.45mW/cm2增大至150.8 mW/cm2,并在140 h持续工作之后,依然能够保持稳定的性能输出,这表明降低电池的工作温度,为对称固体氧化物燃料电池电极材料体系的选择提供了新思路。论文第三章以传统的Fe基钙钛矿Ln0.6Sr0.4FeO3-δ为研究对象,系统地研究了A位不同稀土金属离子（Ln=La,Pr,Nd,Sm和Gd）掺杂对电极材料的物相及电化学性能的影响。研究表明Ln0.6Sr0.4FeO3-δ系列样品在空气气氛下均为立方钙钛矿结构,而在氢气气氛下仅有La0.6Sr0.4FeO3-δ能够维持钙钛矿结构不变,其余掺杂样品均发生部分相变。同样,不同稀土掺杂的样品表现出不一样的极化性能,800℃时Ln0.6Sr0.4FeO3-δ（Ln=La,Pr,Nd,Sm和Gd）电极在空气中的界面极化阻抗分别为0.19Ωcm2、0.23Ωcm2、0.34Ωcm2、0.22Ωcm2和0.35Ωcm2;而在氢气气氛下,800℃时LSF、PSF、NSF、SSF和GSF电极在空气中的界面极化阻抗分别为0.45Ωcm2、0.14Ωcm2、0.22Ωcm2、0.48Ωcm2和0.25Ωcm2,这表明,LSF在空气气氛下的界面极化阻抗最小,其对阴极侧的催化活性要略高于其他材料,PSF在氢气气氛下的界面极化阻抗最小,其对阳极侧的催化活性要略高于其他材料。基于Pr0.6Sr0.4FeO3-δ材料在氢气下的良好催化活性,论文第四章以Pr0.6Sr0.4FeO3-δ为研究基体,通过对钙钛矿结构B位以过渡金属离子部分掺杂的方式,即Pr0.6Sr0.4Fe0.8M0.2O3-δ（M=Fe、Co和Ni）,研究过渡金属离子掺杂对电极的物相及催化活性的影响。结果表明Pr0.6Sr0.4Fe0.8M0.2O3-δ（M=Fe、Co和Ni）系列样品在空气气氛下均呈现单一的钙钛矿结构;而在氢气气氛下结构均发生分解。以Pr0.6Sr0.4Fe0.8M0.2O3-δ（M=Fe、Co和Ni）为电极材料进行极化性能分析,结果表明PSFN在空气气氛中的界面极化阻抗最小,最小值为0.16Ωcm2;而PSF在氢气气氛中的界面极化阻抗最小为0.32Ωcm2。以PSF、PSFC和PSFN同时为阴极和阳极的单电池在800℃时的最大输出功率密度分别为429 mW/cm2、269 mW/cm2和445 mW/cm2,这表明使用PSFN为电极材料的对称固体氧化物燃料电池具有更好的输出性能,主要是因为Ni的掺杂能够明显的改善材料在空气气氛下的极化性能,从而能够提高单电池的输出性能。论文第五章基于对质子导体型对称固体氧化物燃料电池进行探索,采用BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ同时作为阴极和阳极材料,研究了质子导体型对称固体氧化物燃料电池的电化学性能。结果表明,BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ在空气气氛下呈现单一的立方钙钛矿结构,然而经过还原之后难以维持原本的立方钙钛矿结构不变,材料体系内部伴随着大量的成分析出。BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ（BCFZY）在空气气氛下和氢气气氛下的电导率最大值分别为1.79 S cm-1和11.52 S cm-1。以BCFZY同时为阴极和阳极构建的单电池在800℃时的最大输出功率密度为67.9mW/cm2,验证了质子导体型对称固体氧化物燃料电池的可能性。论文第六章对本文工作的创新点和不足之处进行了总结,并对对称固体氧化物燃料电池的前景进行了展望。