低温固体氧化物电池氧化铈-碳酸盐复合电解质电化学性能研究

作     者：张广洪 

作者单位：深圳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李翠华;乔志军

授予年度：2019年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：固体氧化物电池 氧化铈-碳酸盐复合物 混合离子传导 界面导电 电解水 

摘      要：可逆固体氧化物电池(RSOC)是一种新型能量转化装置,具有高效率、无污染和模块化等优点。在固体氧化物燃料电池(SOFC)模式下,它能够直接将燃料中的化学能直接转变为电能,而在固体氧化物电解池(SOEC)模式下,它也可以通过电解水制氢等方式将热能和电能转化为化学能进行存储。具有高离子导电的氧化铈-碳酸盐复合物是可逆固体氧化物电池(SOC)中一种非常有前景的电解质材料。理想微观结构,如复相材料大界面且分布均匀元素/相,将有利于电性能增强和离子传导机制的研究。在本文工作中,我们通过原位一锅一步柠檬酸-硝酸盐燃烧成功合成了具有不同碳酸盐含量的、元素/相分布均匀的、界面耦合强的SmCeO-NaCO(NSDC)纳米复合材料。与常规方法制备的复合电解质相比,NSDC表现出不同的特性,表现出极其优秀的质子传导率,在650℃时达到0.045 S·cm,高出氧化物质子导体约5倍。基于所得NSDC9010纳米复合电解质与LiNiO对称催化剂构成的SOFCs获得281.5 mW·cm(600℃)的最佳输出功率。优异的离子电导率和燃料电池性能与一步法合成的核-壳结构和相分布有关。通过拉曼光谱表征结果验证了强耦合作用,并通过调节碳酸盐含量与分布来实现最佳碳酸盐界面层厚度。除此之外,SOFC在8小时以上的连续工作中,并未发现其性能下降,说明其是一个稳定的发电装置。根据电解质材料可分为两种类型的SOEC:氧离子传导SOEC(O-SOEC)和质子传导SOEC(H-SOEC)。考虑已经获得的氧化铈-碳酸盐材料的混合O和H混合导电特性,我们将其应用于电解池中。混合离子导电允许同时在阴极和阳极进行水电解制氢,因此能显著提升电解效率。另外,相比其它条件,SOEC操作条件与SOFC接近,不同电解条件下的性能反过来帮助推导离子导电行为与机理。我们系统的比较和分析了不同操作参数或条件(蒸汽分压、操作温度和电解模式)的电解性能。实验结果显示,当使用NSDC9010作为电解质时,混合SOEC显示出最高效率,表现为当正负电极分别含有10%湿润水蒸气(混合导电模式)是,在600°C、1.3V时电流密度为0.350 A·cm,分别高出氧离子导电模式合质子导电模式19%和15%,该实验结果也验证上一章的混合离子导电且质子导电为主的结论。此外,混合SOEC在27小时以上的连续运行中性能未下降。因此基于混合离子导电的复合电解质材料基电解池是一种非常有前景的电解制氢工艺。