單部件燃料電池的性能研究.pdf

1、提高能源轉(zhuǎn)化效率，降低燃料使用過(guò)程中造成的環(huán)境污染是全世界各國(guó)可持續(xù)發(fā)展道路中共同面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效能源轉(zhuǎn)換裝置，同時(shí)具備較高的能源轉(zhuǎn)換效率和較低的污染物排放雙重優(yōu)點(diǎn)。截至目前，SOFC已有100多年的發(fā)展歷史，但是一直沒(méi)有得到大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，其根本原因之一在于其固有的三部件結(jié)構(gòu)，缺乏創(chuàng)新性的技術(shù)突破，單部件燃料電池(SLFC)從這些方面取得根本性突破，是一種新型能源轉(zhuǎn)換裝置。然而，與SOFC的發(fā)

2、展進(jìn)展相比較，SLFC發(fā)展還處于初級(jí)階段。SLFC的實(shí)用化進(jìn)程仍有許多工作亟待開(kāi)展，降低材料的成本和簡(jiǎn)化電池制備步驟是非常重要的一方面，同時(shí)單電池制造工藝的改進(jìn)、電池整體性能的優(yōu)化提高和深入探索其反應(yīng)機(jī)理等工作均迫切需要開(kāi)展起來(lái)。目前，SLFC有關(guān)研究日趨活躍，其應(yīng)用前景良好。探索SLFC的反應(yīng)機(jī)理，尋找成本較低同時(shí)具有高性能的單部件燃料電池材料，對(duì)SLFC的發(fā)展具有重要意義。因此，本論文的研究主要圍繞SLFC的材料制備、電化學(xué)性能以及

3、與傳統(tǒng)SOFC不同的電化學(xué)工作機(jī)理等方面展開(kāi)研究。
　　第一章簡(jiǎn)要介紹傳統(tǒng)SOFC及新型能源轉(zhuǎn)換裝置SLFC的發(fā)展背景，工作原理和研究進(jìn)展。從材料的開(kāi)發(fā)和選擇等方面介紹了SLFC的發(fā)展歷史，著重闡述了SLFC的制備工藝、材料研制、電化學(xué)特性及研究發(fā)展。
　　第二章介紹了論文中實(shí)驗(yàn)過(guò)程、材料制備方法、性能表征及測(cè)試手段。
　　第三章研究了擴(kuò)大尺寸的對(duì)稱電極低溫固體氧化物燃料電池(6cm×6cm×1mm，有效反應(yīng)面積25

4、cm2)。制備了新型電解質(zhì)材料Mg0.4Zn0.6O/Ce0.8Sm0.2O2-δ(MZSDC)和與之兼容的復(fù)合物電極材料Li0.3Ni0.6Cu0.07Sr0.03O2-δ(LNCuS)-MZSDC，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種基于這種新型電解質(zhì)材料的擴(kuò)大尺寸的對(duì)稱電極固體氧化物燃料電池。600℃下單電池的最大輸出功率達(dá)到16.5W。
　　第四章使用Li0.1Mg0.1Zn0.3O2-δ/Ce0.9Sm0.1O2-δ(LMZSDC)作為電解

5、質(zhì)材料，LNCuS作為對(duì)稱的電極材料，制備了傳統(tǒng)的SOFC。與此同時(shí)，用質(zhì)量比為5.7∶4.3的LMZSDC與LNCuS制作了SLFC。研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的SOFC和由LMZSDC和LNCuS納米材料制備的SLFC都表現(xiàn)較高的電化學(xué)性能，并且兩者的優(yōu)異程度不分伯仲;EIS結(jié)果表明在SOFC和SLFC中有不同的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。
　　第五章研究了離子導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體體材料的配比對(duì)SLFC材料的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。制備和表征了由離子導(dǎo)

6、體材料Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)和半導(dǎo)體材料LNCuS組成的SLFC。550℃下，SDC和LNCuS質(zhì)量比為6∶4的SLFC展現(xiàn)出最大的功率密度（312mW·cm-2）。這項(xiàng)研究有助于我們更全面地了解SLFC中離子導(dǎo)電相和半導(dǎo)體導(dǎo)電相對(duì)電池整體性能的影響。
　　第六章研究了不同半導(dǎo)體材料對(duì)SLFC單電池電化學(xué)性能的影響。使用SDC為離子導(dǎo)體材料，基于銅、鈷、錳改性的LNO基復(fù)合材料為半導(dǎo)體材料，制備出三種SLFC單電池

7、。結(jié)果表明，SDC-LNMnS的單電池表現(xiàn)出最大的輸出功率密度(422mW·cm-2)，但是其材料本身的熱穩(wěn)定性較差;反之，SDC-LNCuS材料本身的熱穩(wěn)定性較好，但其最大輸出功率反而最小，僅為331 mW·cm-2。
　　第七章研究了擴(kuò)大尺寸的SLFC的電化學(xué)性能及其長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性。用質(zhì)量比為5.2∶4.8的LMZSDC與LNO制備了SLFC單電池。600℃下，單電池的最大功率可以達(dá)到12.8W（最大功率密度為512mW.c