質(zhì)子導(dǎo)體基固體氧化物燃料電池關(guān)鍵材料研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFCs)可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)。SOFCs的中低溫化可以進(jìn)一步提高電池的使用壽命的運(yùn)行穩(wěn)定性，擴(kuò)大材料選擇范圍，推進(jìn)SOFCs的產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化進(jìn)程，質(zhì)子導(dǎo)體基SOFCs是降低操作溫度的有效途徑之一，因而近年來受到越來越多的關(guān)注。本論文圍繞質(zhì)子導(dǎo)體基SOFCs的關(guān)鍵材料，即高溫質(zhì)子導(dǎo)體材料的研究和高性能復(fù)合陰極材料的開發(fā)等進(jìn)行了研究工作。
　　第一章為研究工作的內(nèi)容綜述，主

2、要從固體氧化物燃料電池的基本概念、分類和研究趨勢，質(zhì)子導(dǎo)體基SOFCs的結(jié)構(gòu)與原理，質(zhì)子導(dǎo)體基SOFCs的關(guān)鍵材料-電解質(zhì)材料，電極材料和制備方法等方面進(jìn)行了簡單介紹。
　　第二章主要研究了Sm和Y元素的摻雜，對鈰酸鋇基高溫質(zhì)子導(dǎo)體材料在質(zhì)子電導(dǎo)率，燒結(jié)活性等方面的影響。使用檸檬酸鹽-硝酸鹽法制備了BaCe0.8SmxY0.2-xO3-δ(x=0，0.05，0.1，0.15，0.2)系列粉體材料。通過對在不同氣氛和溫度下的電導(dǎo)率進(jìn)

3、行表征，并對經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后的塊材截面分析以研究各樣品燒結(jié)活性的區(qū)別。相比較于Y，Sm可以明顯改善鈰酸鋇的燒結(jié)活性，但不利于質(zhì)子的傳導(dǎo)。BaCe0.8SmxY0.2-xO3-δ的電導(dǎo)率主要受質(zhì)子遷移率和晶界密度的影響，適量的Sm含量減少了晶界體積，同時(shí)沒有較大程度地降低質(zhì)子遷移率，最終使BaCeO.8Sm0.1Y0.1O3-δ具有最高的質(zhì)子電導(dǎo)率。基于BaCe0.8Sm0.1Y0.1O3-δ電解質(zhì)的單電池也表現(xiàn)出了優(yōu)秀而穩(wěn)定的功率輸出性能

4、，在650℃時(shí)，最高功率密度分別可達(dá)0.60 W cm-2，并在輸出電壓為0.7V的條件下仍有0.49 W cm-2。結(jié)果表明，說明摻雜的鈰酸鋇仍然是中低溫SOFCs電解質(zhì)材料的選擇之一。
　　第三章研究了穩(wěn)定的鈰酸鋇-鋯酸鋇固溶體質(zhì)子導(dǎo)體材料，采用Y和Yb作為摻雜元素，詳細(xì)研究了BaCe0.5Zr0.3Y0.2-xYbxO3-δ系列質(zhì)子導(dǎo)體的各方面性能。Y相對Yb而言可以提供更高的質(zhì)子電導(dǎo)率，BaZr0.3Ce0.5Y0.2O3

5、-δ也具有該系列最高的電導(dǎo)率，700℃時(shí)電導(dǎo)率約0.01 S cm-1，并被用做SOFCs的電解質(zhì)材料。本章工作制備的單電池的性能甚至要高于某些以BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ為電解質(zhì)材料的電池性能，而且由于Zr含量的提高，使電解質(zhì)薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，經(jīng)過空氣、3％二氧化碳、100％二氧化碳?xì)夥仗幚砗?，均沒有明顯反應(yīng)，單電池也經(jīng)受了短期放電性能測試。所有結(jié)果表明，BaZr0.3Ce0.5Y0.2O3-δ是一種有希望的中

6、低溫SOFCs電解質(zhì)材料。
　　第四章研究了一款不導(dǎo)質(zhì)子的Pr0.6Sr0.4Cu0.2Fe0.8O3-δ-Ce0.8Sm0.2O2-δ復(fù)合陰極材料，并應(yīng)用在性能良好而穩(wěn)定的BaZr0.3Ce0.5Y0.2O3-δ質(zhì)子導(dǎo)體基SOFCs上。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的單電池輸出了較高的性能(417 mW cm-2，650℃)，高于大部分不含鈷的陰極材料性能。結(jié)果顯示PSCF-SDC是一款在質(zhì)子導(dǎo)體基SOFCs上很有前景的陰極材料。
　　第五