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新型复合电解质低温陶瓷燃料电池的研究

黄建兵  
【摘要】: 低温(400-600oC)陶瓷燃料电池(CFC)是近年来燃料电池领域的研究热点,具有很好的商业化前景。发展实用的低温CFC的关键在于开发高性能、低成本的材料和工艺。本文基于新型复合电解质材料,开发了与之相匹配的电极材料,探索了合适的电池制备工艺,初步设计了电池堆的结构,建立了新型复合电解质燃料电池的理论电化学模型,为进一步研究开发低温CFC打下了基础。 本文从Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)-碳酸盐复合电解质着手,制备了不同组成的材料体系,研究了材料的结构与电性能。结果表明,SDC与碳酸盐形成了两相复合体系,而且其导电行为具有两个显著特征:电导跃迁温度和电导率增强效应。电导跃迁温度主要与碳酸盐类型有关,通常比碳酸盐的共熔点低20-40oC。在电导跃迁温度附近,其电导率比SDC的电导率高几倍到数十倍,电导率增强效应与不同方法制备的SDC粉体、碳酸盐含量、碳酸盐摩尔比及碳酸盐类型有关。 采用冷压工艺制备了SDC-碳酸盐复合电解质单电池,考察了上述材料因素和电池结构及操作条件等对电池性能的影响。结果表明,所有SDC-碳酸盐复合电解质低温CFC均表现出良好的性能。其中,采用SDC-LiNaCO3复合电解质的氢-空燃料电池在500oC时获得的最高性能为690mWcm-2,400oC时最高输出超过300mWcm-2。首次发现,该复合电解质在燃料电池气氛中的离子导电性质随LiNaCO3的含量而改变。发展了一体化热压新工艺制备较大尺寸的单电池。该电池在500-600oC能稳定工作,500oC时以约500mWcm-2的输出稳定放电超过12h,但在475oC以下性能不稳定。设计并组装了2-3个单电池的短堆,其中三片堆在550oC时的最大输出功率为1.55W,改进气体歧管密封有望提高其输出性能。 制备了新型Ce0.8Zn0.2O1.9(ZDC)-碳酸盐复合电解质、类钙钛矿结构La2NiO4+δ(LNO)基阴极和NiO基双组分阳极,研究表明,采用这些新材料的复合电解质燃料电池适合在低温范围内工作,而且材料的匹配性良好。 在离子-电子混合传导体系的基础上,结合缺陷化学理论,建立了共离子传导复合电解质燃料电池的一维电化学模型,并比较了SDC基复合电解质CFC与SDC电解质CFC的操作特性,表明新型共离子传导复合电解质CFC更有优势。


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