單部件燃料電池的性能研究.pdf

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

2、展進展相比較，SLFC發(fā)展還處于初級階段。SLFC的實用化進程仍有許多工作亟待開展，降低材料的成本和簡化電池制備步驟是非常重要的一方面，同時單電池制造工藝的改進、電池整體性能的優(yōu)化提高和深入探索其反應機理等工作均迫切需要開展起來。目前，SLFC有關研究日趨活躍，其應用前景良好。探索SLFC的反應機理，尋找成本較低同時具有高性能的單部件燃料電池材料，對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、電化學性能以及

3、與傳統(tǒng)SOFC不同的電化學工作機理等方面展開研究。
　　第一章簡要介紹傳統(tǒng)SOFC及新型能源轉換裝置SLFC的發(fā)展背景，工作原理和研究進展。從材料的開發(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、電化學特性及研究發(fā)展。
　　第二章介紹了論文中實驗過程、材料制備方法、性能表征及測試手段。
　　第三章研究了擴大尺寸的對稱電極低溫固體氧化物燃料電池(6cm×6cm×1mm，有效反應面積25

4、cm2)。制備了新型電解質材料Mg0.4Zn0.6O/Ce0.8Sm0.2O2-δ(MZSDC)和與之兼容的復合物電極材料Li0.3Ni0.6Cu0.07Sr0.03O2-δ(LNCuS)-MZSDC，設計并開發(fā)了一種基于這種新型電解質材料的擴大尺寸的對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到16.5W。
　　第四章使用Li0.1Mg0.1Zn0.3O2-δ/Ce0.9Sm0.1O2-δ(LMZSDC)作為電解

5、質材料，LNCuS作為對稱的電極材料，制備了傳統(tǒng)的SOFC。與此同時，用質量比為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)較高的電化學性能，并且兩者的優(yōu)異程度不分伯仲;EIS結果表明在SOFC和SLFC中有不同的電化學反應過程。
　　第五章研究了離子導體材料和半導體體材料的配比對SLFC材料的微觀結構和電化學性能的影響。制備和表征了由離子導

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

7、。結果表明，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。
　　第七章研究了擴大尺寸的SLFC的電化學性能及其長時間工作穩(wěn)定性。用質量比為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到12.8W（最大功率密度為512mW.c