ScSZ电解质及其在IT-SOFCs中的应用

论文题目: ScSZ电解质及其在IT-SOFCs中的应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 物理化学

作者: 王振卫

导师: 张华民,程谟杰

关键词: 固体氧化物燃料电池,电解质,界面修饰,复合阴极

文献来源: 中国科学院研究生院（大连化学物理研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 阳极支撑型固体氧化物燃料电池（SOFCs）是中温（800℃以下）SOFCs的主要类型之一,而阴极极化电阻是限制电池中温性能的关键因素。因此,改善阴极/电解质界面结构,开发高性能复合阴极是目前中温SOFCs的研究热点。Sc2O3稳定的ZrO2（ScSZ）在ZrO2类电解质中氧离子电导率最高,但由于相结构复杂、烧结活性差等原因,在SOFCs中应用较少。本文首先筛选了ScSZ电解质,并将其用于中温SOFCs中,设计新型阴极/电解质界面结构;制备新型复合阴极,提高了电池性能。论文首先系统研究了CeO2掺杂的ScSZ电解质的相结构和电性能。尽管ScSZ的电导率随CeO2含量增加而降低,但引入CeO2可以将ScSZ电解质的高温立方结构稳定到室温,并有助于消除晶界杂质,降低晶界阻抗。论文制备了阳极支撑型ScSZ薄膜SOFC,电解质隔膜不致密,在800℃电池开路电位为1.0 V,最大输出功率密度达到1.07 W/cm2。在成型过程中引入热压步骤可以进一步提高电池的开路电位。论文开展了1Ce10ScZr电解质修饰阳极支撑型SOFC阴极/电解质界面研究。该方法有效扩展了氧还原反应的三相界面,促进了氧离子从LSM-YSZ表面向YSZ电解质膜表面发生电荷转移的过程,电荷转移电阻显著降低。经过界面修饰的电池性能明显提高,特别是在650℃操作时,性能提高40%。论文开展了LSM1.1-ScSZ复合阴极研究,优化了复合阴极的组成和制备条件。在通常的电极烧结温度范围内,LSM1.1和ScSZ有良好的化学相容性。电极极化电阻与ScSZ电解质的表面氧交换性质密切相关,而非材料的电导率。性能最佳的阴极含40 wt%的5Ce10ScZr,最佳烧结温度为1100℃,相应的电池在650℃和800℃的最大功率密度分别达到0.82 W/cm2和2.24 W/cm2。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

第一章文献综述

1.1 固体氧化物燃料电池的发展现状

1.2 固体氧化物燃料电池的结构与应用

1.2.1 单电池构型

1.2.1.1 自支撑型

1.2.1.2 阳极支撑型

1.2.1.3 阴极支撑型

1.2.1.4 金属支撑型

1.2.2 电池堆结构

1.2.2.1 管式电池

1.2.2.2 平板电池

1.2.3 固体氧化物燃料电池的应用前景

1.3 固体氧化物燃料电池基本原理

1.4 固体氧化物燃料电池电解质材料发展现状

1.4.1 YSZ

1.4.2 掺杂的镓酸镧基钙钛矿

1.4.3 掺杂的氧化铈

1.5 ScSZ 固体电解质研究进展

1.5.1 ScSZ 相结构概述

1.5.2 相结构的全稳定与电导率

1.5.3 电导老化现象

1.5.4 材料制备过程的难点

1.6 ScSZ 在固体氧化物燃料电池中的应用

1.6.1 电解质膜

1.6.2 电极材料

1.7 固体氧化物燃料电池阴极反应机理、材料与结构

1.7.1 LSM 阴极

1.7.2 其它钙钛矿阴极材料

1.7.3 非钙钛矿阴极材料

1.8 本论文的工作设想

参考文献

第二章 ScSZ 电解质的合成、相结构与电性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 化学试剂

2.2.2 ScSZ 电解质粉体的合成

2.2.2.1 化学共沉淀法

2.2.2.2 共沸蒸馏

2.2.2.3 水热合成

2.2.3 压片与烧结

2.2.4 样品致密度的测定

2.2.5 交流电导的测定

2.2.6 X-射线衍射(XRD)

2.2.7 拉曼(Raman)光谱

2.3 Sc_2O_3 含量对ScSZ 电解质相结构和电性能的影响

2.3.1 Sc_2O_3 含量对ScSZ 电解质XRD 的影响

2.3.2 Sc_2O_3 含量对ScSZ 电解质Raman 光谱的影响

2.3.3 Sc_2O_3 含量对ScSZ 电导率的影响

2.4 CeO_2 含量对ScSZ 电解质相结构和电性能的影响

2.4.1 CeO_2 对ScSZ 电解质XRD 的影响

2.4.2 CeO_2 含量对ScSZ 电解质XRD 的影响

2.4.3 CeO_2 含量对ScSZ 电解质可见光Raman 光谱的影响

2.4.4 CeO_2 含量对ScSZ 电解质近紫外Raman 光谱的影响

2.4.5 CeO_2 含量对ScSZ 电解质电导率的影响

2.4.6 CeO_2 含量对ScSZ 电解质交流阻抗谱的影响

2.5 其它因素对1Ce10ScZr 电解质电性能的影响

2.5.1 1Ce10ScZr 粉体合成方法对电解质电性能的影响

2.5.2 烧结温度对1Ce10ScZr 电性能的影响

2.5.3 1Ce10ScZr 的电导老化性质

2.6 1Ce10ScZr 粉体的相结构

2.6.1 焙烧温度对1Ce10ScZr 粉体相结构的影响

2.6.2 处理工艺对1Ce10ScZr 粉体相结构的影响

2.7 本章小结

参考文献

第三章 ScSZ 电解质薄膜型SOFC 的制备与性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 阳极支撑型SOFC 膜电极的制备

3.2.1.1 1Ce10ScZr 电解质粉体的制备与表征

3.2.1.2 1Ce10ScZr 电解质悬浮液的制备

3.2.1.3 阳极素胚的制备

3.2.1.4 膜电极制备与烧结

3.2.1.5 阴极制备

3.2.1.6 电池性能测定

3.2.2 ScSZ 电解质薄膜表面的X-射线衍射(XRD)表征

3.2.3 单电池扫描电镜(SEM)观察

3.2.4 电化学阻抗谱测量

3.3 结果与讨论

3.3.1 NiO-YSZ/ScSZ 组件的XRD

3.3.2 阳极支撑型ScSZ 薄膜电池的断面结构

3.3.3 阳极支撑型ScSZ 薄膜电池的输出特性

3.3.4 阳极支撑型ScSZ 薄膜电池交流阻抗谱分析

3.3.5 阴极气氛对电池性能的影响

3.4 热压法制备ScSZ 薄膜电池的探索

3.4.1 热压-烧结薄膜结构

3.4.2 电池性能

3.5 本章小结

参考文献

第四章 1Ce10ScZr 电解质修饰SOFC 阴极/电解质界面研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 1Ce10ScZr 电解质粉体的制备

4.2.2 阳极/电解质膜组件的制备

4.2.3 电解质表面修饰与阳极/电解质组件的烧结

4.2.4 复合阴极制备

4.2.5 单电池测试

4.2.6 电解质表面形貌观察

4.3 阳极支撑型固体氧化物燃料电池极化分析方法

4.3.1 电压降~电流密度曲线解析

4.3.2 电化学阻抗谱解析

4.4 1Ce10ScZr 电解质修饰YSZ 薄膜表面阳极支撑型SOFC 的结构与性能

4.4.1 电解质层结构

4.4.2 修饰电池的电化学阻抗谱特征

4.4.3 电荷转移电阻的温度依赖性

4.4.4 电池性能

4.5 修饰工艺条件对电池性能的影响

4.5.1 电解质表面结构

4.5.2 YSZ 和1Ce10ScZr 修饰的比较

4.5.3 1Ce10ScZr 粒径的影响

4.5.4 压制压力的影响

4.6 本章小结

参考文献

第五章阳极支撑型SOFCs 用LSM_(1.1)-ScSZ 复合阴极

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 阳极/电解质膜组件的制备

5.2.2 复合阴极的制备

5.2.3 电池测试

5.2.4 电化学阻抗谱测量

5.2.5 XRD 测试

5.3 结果与讨论

5.3.1 XRD 结果

5.3.2 复合阴极中ScSZ 电解质种类的影响

5.3.3 烧结温度的影响

5.3.4 5Ce10ScZr 在复合阴极中含量的影响

5.3.5 优化后电池的性能

5.4 本章小结

参考文献

第六章结论

作者简介及攻读博士学位期间发表文章、专利目录

致谢

发布时间: 2007-03-13

参考文献

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[4].磷灰石结构硅/锗酸镧电解质材料的制备与性能研究[D]. 尹广超.吉林大学2014
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[10].中温固体氧化物燃料电池阴极和电解质材料的性能研究[D]. 孟祥伟.吉林大学2016

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