攙雜氧化鈰-碳酸鹽電解質(zhì)中離子傳導(dǎo)及燃料電池性能.pdf

1、降低操作溫度是固體氧化物燃料電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的核心問(wèn)題。近年來(lái)被廣泛研究的氧化物-無(wú)機(jī)鹽復(fù)合材料在500-650℃具有較高的離子電導(dǎo)率,是具有較好發(fā)展前景的電解質(zhì)材料。本論文合成了不同組成的釤攙雜氧化鈰(Ce0.8Sm0.2O1.9,SDC)-碳酸鹽復(fù)合電解質(zhì)材料,考察了氧離子和質(zhì)子在復(fù)合電解質(zhì)中的傳導(dǎo)機(jī)理,以及燃料電池性能的影響因素。
　　第二章通過(guò)草酸鹽共沉淀法和碳酸鹽共沉淀法制備SDC粉體,并將其與純Na2CO3或(Li0.5

2、2Na0.48)2CO3二元共晶鹽混合制得復(fù)合電解質(zhì)。通過(guò) X射線(xiàn)衍射法、掃描電子顯微鏡分析、熱重-差熱分析及交流阻抗測(cè)試等表征手段,考察了制備方法、碳酸鹽組成、碳酸鹽含量和混合方法等因素對(duì)復(fù)合電解質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。結(jié)果顯示,SDC在復(fù)合電解質(zhì)中保持了其原有的結(jié)構(gòu),與碳酸鹽相無(wú)相互反應(yīng)。碳酸鹽相的種類(lèi)、含量與兩相混合方式對(duì)兩相分布的均勻程度及材料的交流電導(dǎo)率有重要影響。
　　第三章利用氫氣和氧氣電化學(xué)泵法,對(duì)草酸鹽共沉淀法制備的

3、SDC-(Li0.52Na0.48)2CO3復(fù)合電解質(zhì)材料中H+和O2-的傳導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)行研究。電化學(xué)泵法有效排除了氣體在復(fù)合電解質(zhì)膜中的泄漏對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。在650℃時(shí),復(fù)合電解質(zhì)具有明顯的H+和O2-的傳導(dǎo)能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,H+和O2-的電導(dǎo)率均隨復(fù)合電解質(zhì)中碳酸鹽含量的上升而提高,說(shuō)明熔融碳酸鹽相促進(jìn)了兩種離子的遷移。實(shí)驗(yàn)還考察了溫度對(duì)兩種離子電導(dǎo)率的影響。
　　第四章通過(guò)直流四電極法測(cè)試,考察了復(fù)合電解質(zhì)材料中碳酸鹽含

4、量、碳酸鹽種類(lèi)、陶瓷相種類(lèi)及兩相的混合方式等因素對(duì)O2-和H+的電導(dǎo)率的影響。同時(shí),選擇有效介質(zhì)滲透理論對(duì)草酸鹽共沉淀-固相混合法制備的SDC-(Li0.52Na0.48)2CO3中O2-和H+的電導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算,并將其與測(cè)試值對(duì)比。在復(fù)合電解質(zhì)中,O2-通過(guò)SDC體相和碳酸鹽體相傳導(dǎo),且在兩相界面處需要較高的遷移能;H+通過(guò)碳酸鹽體相和兩相界面進(jìn)行傳導(dǎo),在界面處的電導(dǎo)率受陶瓷相性質(zhì)的影響。在固相混合法制備的復(fù)合電解質(zhì)中,離子傳導(dǎo)受界面影

5、響較小,電導(dǎo)率可通過(guò)有效介質(zhì)滲透理論進(jìn)行近似計(jì)算。
　　第五章基于復(fù)合電解質(zhì)材料,以NiO為陽(yáng)極,LiNiO2為陰極,通過(guò)三層共壓法制備了復(fù)合電解質(zhì)單電池片,對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試,并對(duì)電池反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明,碳酸鹽相能夠抑制材料的電子電導(dǎo),但同時(shí)降低電解質(zhì)層的致密度。電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率是影響電池電流密度和功率密度的關(guān)鍵因素,此外,電池性能還受電解質(zhì)層厚度和反應(yīng)氣氛的影響。當(dāng)陰極氣體中含有CO2時(shí),CO32-的傳導(dǎo)占主導(dǎo)地位