试析微管质子导体固体氧化物燃料电池阴极材料及其电化学

论文导读：
摘要：能源危机和环境污染是全世界在可持续进展道路中所面对的不足。固体氧化物燃料电池(SOFC)具有高的能量转化效率和低的污染排放,被认为是未来能源经济的基石。其中,以质子导体作为电解质的固体氧化物燃料电池(H-SOFC)由于具有高燃料利用率,高论述电动势,高离子迁移数以及低传导活化能,因而备受关注。然而,与氧离子导体固体氧化物燃料电池(O-SOFC)相比,H-SOFC的材料选择和论述系统还处于初级阶段,尤其是H-SOFC的阴极。在H-SOFC中,氢气在阳极被氧化,形成质子,通过电解质,迁移到阴极,而后与氧进行电极反应,生成水,其阴极的电极历程比O-SOFC的更为复杂。寻找高性能的阴极材料和探讨H-SOFC中的阴极反应机理,对于H-SOFC的进展具有重要的作用。本论文的探讨主要围绕H-SOFC的阴极材料、电化学性能以及反应模型等方面展开。第一章,简要介绍了H-SOFC的进展背景,工作原理和探讨进展。以材料的运用和进展等方面简明介绍了H-SOFC的阳极和电解质,并围绕阴极材料进行深入地调研,着重阐述了不同传导类型的阴极材料的电化学行为及其反应模型。第二章,H-SOFC的阴极可以细分为不同类型,包括质子导体/电子导体复合阴极和氧离子导体/电子导体复合阴极。一般认为,前者可以增加阴极反应的三相界面(H-TPB)的长度,而后者的H-TPB只限制在阴极电解质界面处。然而,近期的探讨发现,后者也可以很大程度上增加阴极的电化学活性,但是其机理不清楚。为此,本工作制备了一种典型的氧离子导体/电子导体复合阴极,即SSC(Sm0.5Sr0.5CoO3-δ)-SDC探讨其在BCS (BaCe0.8Sm0.2O3-δ)质子导体电解质上的电化学行为。采取交流阻抗法表征了其界面阻抗随氧分压、水分压以及温度的联系。实验结果表明,Oad-和VO的扩散可能是SSC-SDC阴极反应的速控步骤,氧离子和质子形成水的反应是快反应,不是阴极历程的速控步骤。即对SSC-SDC, H-TPB处的反应动力学足够快,对电极反应的影响并不显著。三电极的测试结果表明,在电极实际工作的状态下,SSC-SDC比SSC-BCS具有更小的阻抗,所以在实际运用中可能更具潜力。第三章,制备及表征了H-SOFC的新型阴极,即Fe掺杂的PrBaCo2-xFexO5+δ (x=0,0.5,1.0,1.5and2.0)层状钙钛矿氧化物。结果表明：晶格常数和氧非化学计量δ随Fe的含量升高而升高；而材料的电子电导率以及热膨胀系数随Fe含量的升高而降低。且材料在700℃,3%CO2-97%空气气氛下,能保持化学稳定性。对称电池的实验以侧面证明了材料的氧催化活性随Fe的含量升高而出现下降,这也和密度泛函论述(DFT)的计算相一致。由于PrBaCo2O5+δ (PBCO)具有最高的氧催化活性,采取其作为H-SOFC的阴极材料,在700℃下,单电池的最高输出功率能达到545mW cm-2。 PBCO良好的电化学性能使之成为H-SOFC最好的阴极材料之一。第四章,制备和表征了微管H-SOFC.在第一部分工作中,我们采取相转化法制备了NiO-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ (BZCYYb)中空纤维阳极支撑体。通过制约实验参数,使得阳极支撑体呈现非对称的结构：管内具有指孔结构,管外是具有海绵层结构。管内的指孔结构有利于燃料气体的传输,而外侧的海绵层由于靠近电解质,所以提供更多的反应活性区,即阳极反应TPBs。支撑体的机械强度和电子电导随烧结温度的提升而增加,而孔隙率则随温度提升而降低,这也使得阳极和电解质共烧有一个最佳温度1350℃。其质子导体管状单电池在650℃下,最高的输出功率为254mW cm2。第二部分工作,由于SDC管状电池普遍具有较低的OCV,为了提升开路电压,探讨采取(BZCY)作为电子阻抗层。采取悬浮涂覆法,在NiO-SDC阳极支撑体上,制备双层电解质3μm BZCY10μm Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC),并且实现三层共烧。OCV以单层SDC的0.72V提升到双层的0.97V,证明了BZCY可以有效地防止SDC电解质的内短路现象。关键词：质子导体型固体氧化物燃料电池论文阴极论文反应模型论文微管电池论文
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ABSTRACT7-10
目录10-12
第一章 绪论(质子导体燃料电池的探讨及进展概述)12-49

1.1 引言：能源与社会12

1.2 燃料电池介绍12-15

1.3 固体氧化物燃料电池简述15-20

1.3.1 固体氧化物燃料电池的结构及工作原理15-17

1.3.2 固体氧化物燃料电池的论述电动势17-18

1.3.3 固体氧化物燃料电池的极化18-20

1.4 质子导体固体氧化物燃料电池(H-SOFC)20-39

1.4.1 质子导体固体氧化物燃料电池的电解质概述21-26

1.4.2 质子导体固体氧化物燃料电池的阳极介绍26-28

1.4.3 质子导体固体氧化物燃料电池的阴极综述28-39

1.5 本论文探讨课题的提出与探讨内容39-40

参考文献40-49
第二章 质子导体燃料电池阴极反应的电化学探讨49-67

2.1 引言49-51

2.2 实验策略51-52

2.1 初级粉体的制备和样品的制备51-52

2.2 样品的表征52

2.3 实验结果与讨论52-63

2.3.1 XRD粉体表征52-53

2.3.2 对称电池电化学交流阻抗谱测试53-56

2.3.3 阻抗谱数据浅析与讨论56-63

2.4 结论63-65

参考文献65-67
第三章 层状钙钛矿质子导体燃料电池阴极材料67-85

3.1 引言67-68

3.2 实验策略68-70

3.

2.1 初级粉体的制备和样品的制备68

3.

2.2 样品的表征68-70

3.3 实验结果与讨论70-81

3.1 XRD粉体表征70-71

3.2 CO_2气氛下的稳定性71-72

3.3 材料的热膨胀系数72-74

3.4 材料的电子电导率74-75

3.5 材料的电化学测试75-76

3.6 材料的DFT简单计算76-78

3.7 PrBaCo_2O_(S+δ)材料做为H-SOFC的阴极78-81

3.4 结论81-82

参考文献82-85
第四章 中空纤维质子导体燃料电池85-114

4.1 引言85-86

4.2 相转化法成介绍86-92

4.

2.1 中空纤维陶瓷膜的制备历程——相转化历程86-87

4.

2.2 相转化历程机理87

4.

2.3 相转化法的热力学描述87-89

4.

2.4 相转化法的动力学描述89-91

4.

2.5 相转化法制备管状SOFC阳极的形貌制约91-92

4.3 相转化法制备H-SOFC92-103
4.

3.1 相转化法制备H-SOFC实验策略92-94

4.

3.2 相转化法制备H-SOFC实验结果与讨论94-102

4.

3.3 相转化法制备H-SOFC实验小结102-103

4.4 质子导体作为管状SDC电池的电子阻挡层103-108

4.1 质子导体作为SDC管状电池的电子阻挡层实验策略103

4.2 质子导体作为SDC管状电池的电子阻挡层实验结果与讨论103-108

4.3 质子导体作为SDC管状电池的电子阻挡层实验小结108

4.5 本章小结108-110

参考文献110-114
致谢114-115
在读期间发表的学术论文目录115-116