低温固体氧化物燃料电池复合电解质及电极研究 报告人：张红鹃 2013年9月23日
目录 研究背景 1 氧化铈基复合电解质的制备与表征 2 3 Pr2NiO4-Ag阴极材料的制备与表征 1.1燃料电池简介 1.2电解质材料 1.3电极材料 氧化铈基复合电解质的制备与表征 2 2.1文献分析 2.2复合电解质制备与测试 2.3 前阶段工作总结 3 Pr2NiO4-Ag阴极材料的制备与表征 3.1 制备方法 3.2 文献分析 3.3 工作安排
一 研究背景 环境友好 1.1 燃料电池简介 基本构造： 燃料（H2），多孔阳极‖电解质‖多孔阴极，氧化剂（air）
不经过过渡的燃烧和热-机械转换过程，因此总的能源转换不受卡诺循环效率限制，是一种高效的能源转换方式。 作为操作温度最高的燃料电池，SOFC相对其它种类还具有以下优点： 1.燃料灵活：能使用除H2外的其它燃料，如：CO/天然气、CxHyOz、NH3、生物质燃料等； 2.低成本电极催化剂和快速的反应动力学，以及高功率密度； 3.高附加值的热利用，进一步提高能源效率； 4.全固态结构无腐蚀和组件材料流失； 5.单电池可重复性高，易于制备大规模电堆； 6.应用范围广，既可固定式发电，也可作为移动式动力电源或辅助电源。 4
1.2 电解质材料 要求： 高离子电导率，可以忽略的电子导电； 传统应用 化学、物象和微结构稳定； 与其他组件化学相容，热膨胀系数匹配； 价格低廉。 传统应用 稳定的氧化锆 稳定性好 离子导电率低，800-1000℃ ，0.1 S cm-1. 掺杂LaGaO3 离子导电率较高 高成型温度、高烧结温度 掺杂氧化铈 离子电导率高，操作温度低 电子导电 低温区间 300-600℃ 低温操作优势：耐久性、材料选择、快速开启与关闭 新型电解质材料
1.3 阴极材料 要求： 化学和机械稳定性。在强烈的氧化气氛中维持结构和物相的稳定； 混合导电材料，较好的电子导体材料同时匹配适当的离子导电； 与其它组件有较好的的化学、热兼容性，不发生反应； 多孔性，利于气象扩散，反应物输入和产物转移； 热、氧化还原循环稳定性好； 高催化活性。 优点：较高的电子导电率、良好的氧还原催化活性和较好的质子迁移能力。 缺点：在熔融碳酸盐中会发生溶解，导致电性能下降和内部短路问题。 优点：高电导率、催化活性、热/化学稳定性以及常用电解质兼容性。其中Pr2NiO4因拥有最高的氧扩散和表面交换速率、最大的间隙含氧量使其有最好的氧催化还原能力。 LiNiO2 K2NiF4
二 氧化铈基复合电解质的制备 2.1 文献分析 氧化铈-盐或氧化物复合电解质 朱斌等开发了一系列的新型离子导电复合电解质 氧化铈-盐 （盐= 碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物和卤化物/氧化 物 (LiZnO、BZY 和Y2O3)
SDC-20wt%Na2CO3 Electrochem Commun 10 (2008) 1617 20%碳酸钠 共沉淀法 SEM 50nm TEM 核壳结构 SDC被碳酸盐覆盖，碳酸盐沸点厚度有4-6nm 碳酸盐无定形态 相转变点-玻璃相转变温度 SDC-20wt%Na2CO3 Electrochem Commun 10 (2008) 1617
10% 棍状 有团聚形成并排结构 30%有平微晶的形成 50%SDC颗粒被碳酸盐完全覆盖 I-V 650℃ 放电性能测试：曲线开始，有轻微的极化出现，总体来讲在800mA cm-2下输出稳定
2.2 氧化铈-碳酸盐复合电解质的制备 共沉淀法 固相反应方法 柠檬酸-硝酸 燃烧法 硝酸铈煅烧成氧化物，与氧化钐球磨混合，煅烧进一步与碳酸盐（(Li/Na)2CO3）混合，680℃煅烧40min，即得SDCLN. 固相反应方法 柠檬酸-硝酸 燃烧法 Ce3+, Sm3+ 溶液加入柠檬酸，蒸发水分形成凝胶，燃烧形成SDC，然后与碳酸盐混合，680℃煅烧40min，即得SDCLN. Ce3+, Sm3+ 溶液加入草酸，形成悬浮液，抽滤干燥煅烧得SDC，然后与碳酸盐混合，680℃煅烧40min，即得SDCLN. 共沉淀法
电解质测试 致密度测试 NiO-SDCLN/ SDCLN/LiNiO2- SDCLN 电化学测试 Ag/SDCLN/Ag 阻抗测试 恒压测试 SEM NiO-SDCLN/ SDCLN/LiNiO2- SDCLN 电化学测试
2.3 前阶段工作总结
三 Pr2NiO4-Ag阴极材料的制备与表征 3.1 制备方法 研究者 制备方法 Ag负载方法 Ag颗粒 周伟 EDTA-柠檬酸溶胶凝胶法 化学沉积法 立方形0.2-0.9μm （N2H4还原） 球形 0.2μm （HCHO还原） 李强 甘氨酸-硝酸工艺（GNP） 硝酸盐分解 球形 1.2μm 范梁栋 共沉淀法 浸渍法 150nm G. Taillades 柠檬酸-硝酸燃烧法 J.M. Bassat 有机凝胶法 Junji Hyodo 脉冲激光沉积制备薄膜 Claire Ferchaud 自燃法（ Marion Technologies Company ）
3.2文献分析 覆盖在钙钛矿材料表面的碳酸盐会阻碍氧气表面传输，从而降低电化学活性。 阴极极化阻抗Rp=RE1+RE2 肼还原0.2-0.9μm 甲醛还原0.2μm 850℃烧结过后0.5μm
3.3 工作安排 Pr2NiO4的制备 共沉淀法 溶胶凝胶法 GNP工艺 浸渍法 化学沉积法 冻干法 SEM、XRD 极化测试 Ag的负载 浸渍法 化学沉积法 冻干法 Pr2NiO4-Ag表征 SEM、XRD 极化测试 I-V性能测试
课题进展计划 2013年5月至2013年7月 文献调研，确定、购置原料和 进行实验设备的安装和调试，制定实验方案，准备进入实验。 2013年8月至2014年1月 第一阶段的实验：碳酸盐含量对电解质材料的影响（包括材料的制备，表征，电化学测试）；文献阅读。 2014年2月至2014年8月 第二阶段的实验：Pr2NiO4- Ag阴极材料的制备及性能测试；文献阅读。 2014年9月至2014年11月 期刊论文的撰写与发表。 2014年12月至2015年5月 进一步完善数据，撰写毕业论文，准备答辩。
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