超薄CGO阻挡层与纳米电极固体氧化物电池

作     者：胡自坤 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：李季;李建龙

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0702[理学-物理学] 

主      题：固体氧化物电池 水热合成 浸渍 功率密度 面积比电阻 衰减率 

摘      要：固体氧化物电池（solid oxide cell,SOC）是一种集燃料电池（solid oxide fuel cell.SOFC）和电解池（solid oxide electrolysis cell,SOEC）于一体的第三代燃料电池,运行温度在600～800℃,既可实现氢的高效、清洁和规模化制备,又可有效地消纳风电、光电、水电等可再生能源富余电力,满足未来对高比例可再生能源电力系统的大规模储能需求[2]。但由于SOC电池运行温度过高,电堆连接体材料选择成本高,电池各组分材料热膨胀系数难以匹配,长期运行衰减严重。因此目前SOC是以中低温为主要发展趋势。本文先制备了一种对称电池LSC-CGO-YSZ|YSZ| YSZ-CGO-LSC,该电池电极通过浸渍法制备完成,通过对该电池的形貌表征和性能测试,验证了浸渍法制备电极有着高活性、低极化电阻的特点,且在中低温与同类型电池相比有着较好的性能。在上述对称电池的基础上开发了一种基于传统Ni/YSZ燃料电极支撑型电池:Ni/YSZ |YSZ| YSZ-CGO-LSC。创新性的将氧电极以YSZ多孔骨架为主体,在此骨架上水热法原位生长CGO纳米颗粒作为阻挡层,阻挡层厚度仅10～100nm,再通过浸渍法在阻挡层上制备LSC纳米颗粒作为氧电极催化剂。该电池相较于传统Ni/YSZ电池有着更高的电极活性,因此面积比电阻（Area specific resistance,ASR）更低。为研究Ni/YSZ |YSZ| YSZ-CGO-LSC电池的性能与稳定性,做了如下实验:对该电池燃料电极通入97%H2-3%HO,氧电极通入空气,进行SOFC模式电化学测试,电池在550℃功率密度达到了 0.2W/cm2,该性能超过多数已报道的同类型电池,在1 A/cm2电流密度的外加电流下在600℃进行稳定性测试238h,衰减率为0.32 V/kh。通过DRT图和Nyquist图分析得出衰减主要存在于电极表面气体传输障碍,而氧电极的电荷转移与离子传导基本不受影响即佐证了 CGO阻挡层对YSZ产生了充分的保护使其免于与LSC发生副反应。又对该电池在80%H2-20%H2O、空气气氛下进行SOEC模式电化学测试,550℃、1.5 V对应的电流密度为-0.14 A/cm2,在-0.4A/cm2电流密度的外加电流下在650℃进行稳定性测试311h,衰减率为0.64V/kh。通过对比稳定性测试前后燃料电极SEM图能看到稳定性测试Ni出现粗化和迁移现象,并结合DRT图和Nyquist图分析得出衰减主要集中于燃料电极。通过以上实验证实了本课题所设计的超薄CGO阻挡层和纳米电极显著提升了电池的性能与稳定性,为传统Ni/YSZ电池中低温化提供了新的改进思路。