固体氧化物燃料电池体系掺杂氧化锆的理论研究：从结构到导电性

固体氧化物燃料电池是一种将化学能(如H₂和O₂)转化为电能的清洁能源系统,它具有高效、低碳以及燃料适应性广的特点. 作为燃料电池的“心脏”,电解质决定了整个电池的性能,其中掺杂氧化锆是最为典型的燃料电池电解质材料. 氧化钇稳定氧化锆在高温下具有优良的离子电导率,广泛应用在固体燃料电池中. 电解质材料的组成和使用温度对电导率的影响在实验和理论上已得到了充分研究. 复合氧化物的原子结构的表征是阐明其导电行为的关键,本文综述了氧化钇稳定氧化锆电解质的结构和导电性研究的最新理论进展,比较了研究该材料所采用的不同的理论方法及其相应结果,并总结了各种方法的优缺点. 重点介绍了利用随机表面行走-神经网络方法取得的最新成果,这些成果和实验结果相吻合. 结果表明,采用机器学习进行原子模拟为理解固体电解质中遇到的复杂物质现象提供了一种经济、高效和准确的方法.     

生物质气为燃料的燃料电池理论电动势计算

在以生物质气体为燃料的固体氧化物燃料电池体系中,通过热力学平衡分析编程计算出700-1200 K时气体中各物种例如H2、CO、CO2和CH4的平衡组成,从而得到以氧化钇稳定氧化锆(YSZ)为电解质的电池理论电动势．碳沉积对电动势有显著影响．通过计算可以推测比较适宜的操作温度和增湿条件．还计算了以掺杂氧化铈为电解质的电池电动势,相比氢气为燃料时,使用生物质气体导致的电动势的下降比使用YSZ为电解质的电池要小的多．     

固体氧化物直接碳燃料电池的模型计算

直接碳燃料电池(DCFC)是直接以碳或煤为燃料的燃料电池.本文以一种以固体氧化物为电解质的固定床直接碳燃料电池为对象,基于文献中的实验数据,建立了物理模型和数学方程,求解出电池在三个特定温度下的V-I曲线以及能量转换效率,并与文献中的实验结果进行对照,验证了对固定床直接碳燃料电池的反应过程的假设,分析了电池性能的影响因素,为直接碳燃料电池的应用打下了理论基础.     

燃料电池:从电催化到关键材料

介绍了在燃料电池关键材料与电催化方面的一些研究进展,特别是理论计算与实验研究相结合对燃料电池催化剂构效关系和聚合物电解质的研究.主要内容包括1 nm Pt颗粒的构效关系;Pd催化活性的电子调控与形貌剪裁;以及使用非贵金属催化剂的碱性聚合物电解质燃料电池研究等.     

基于Zview和Origin软件的交流阻抗谱的实验数据处理

以固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质的研究为例,具体介绍了基于Zview软件和Origin8.5软件对交流阻抗实验数据进行处理和分析的方法。通过等效电路处理可区分电解质的晶粒电阻、晶界电阻以及界面电阻,获得电导率与温度的变化关系等重要的实验结果,为本科生关于氧化物电解质交流阻抗以及导电性能方面的研究项目进行数据处理和分析提供借鉴和参考。     

Samaria-doped Ceria Modified Ni/YSZ Anode for Direct Methane Fuel in Tubular Solid Oxide Fuel Cells by Impregnation Method

以NiO和8%(摩尔分数)氧化钇稳定的氧化锆为原料,采用注凝成型工艺制备了管状固体氧化物燃料电池阳极支撑体．用离子浸渍法对阳极支撑体进行表面修饰．用电化学工作站测单电池交流阻抗和输出性能并且用化学气相色谱仪对电池尾气进行分析．测试结果表明修饰后的阳极在通甲烷的情况下出现了一定程度的积炭,但是积炭现象在一定的测试时间内达到平衡,没有对电池造成破坏,并且显著地提高了电池阳极的电化学性能．单电池在通入氢气和甲烷的情况下最大输出功率密度分别达到了225和400 mW/cm²．     

CeO2基固体电解质材料研究进展

用稀土或碱土氧化物掺杂的Ce02在较低的温度下(600-800℃)具有较高的氧离子电导率,是用作中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)最合适的电解质材料之一。本文综述了近年来对以掺杂的CeO2作电解质的SOFC的性能的研究现状,分析了单掺杂和双掺杂两类情况,并对掺杂时应注意的问题进行了讨论。     

平板式阳极支撑SOFC多场耦合数值模拟

建立了平板式固体氧化物燃料电池多场耦合数学模型,利用商业CFD软件FLUENT对包括阳极和阴极多孔介质、致密固体氧化物电解质、燃料流道、氧化剂流道、电流收集双极板、外壳的单电池三维整体计算区域进行了数值模拟,得到了流场、温度场、组分浓度场、电流密度场、Nernst电动势、活化过电势和欧姆过电势等重要物理量的详细分布,并分析了影响电池性能的主要因素。模拟结果与SOFC研制单位提供的实验数据基本符合。     

基于阻抗模型解析的氧化锆固体电解质组织结构演变模型

晶界对多元多晶电解质材料电导率的影响, 已成为制约高温固体电解质材料发展的瓶颈. 传统的晶界观察方法难以将高温下材料的组织结构与电导性能相对应. 鉴于此, 本文研究了部分稳定氧化锆(PSZ) 固体电解质材料的变温交流阻抗特性, 并对交流阻抗谱进行了拟合分析, 发现等效拟合电路随温度的上升而发生变化. 通过对不同等效电路模型的物理解析, 得出PSZ电解质材料显微结构在高温下的演变模型. 经进一步分析, 演绎出一种'短程有序'的'晶界桥接'组织模型, 为改善PSZ电解质材料的晶界电导提供了参考.     

石榴石型固态锂电池中的物理问题

采用固体电解质的固态锂电池具有实现高能量密度和高安全性的潜力,在新能源汽车和可穿戴电子设备领域的应用大有可为.石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)固体电解质具有高离子电导率和对锂稳定等特点,是当下最受人瞩目的固体电解质材料之一.本文从物理的角度,探讨热力学和动力学两种因素对LLZO电化学稳定性的影响,离子界面输运机理及其在陶瓷和复合电解质中的应用.针对固态锂电池突出的界面问题,从界面匹配、电荷转移、体积应变、热量传递等方面,讨论固态锂电池循环寿命和实际安全性,给出构建理想界面的关键因素.最后,从电极、电解质和电池结构设计等方面分析如何构建高能量密度的固态锂电池电芯.本文希望通过对LLZO最新理论和实验研究成果的分析总结,阐明石榴石型固态锂电池中的关键物理问题,为高性能固态锂电池的发展提供依据.     

平板式固体氧化物燃料电池多物理场耦合建模

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)在高温下工作,影响电池性能和结构完整性的因素众多,如何能够综合考虑这些因素并准确地预测和优化电池结构与工作性能是亟待解决的问题。使用COMSOL软件建立了单个平板式固体氧化物燃料电池多场耦合有限元三维模型,考虑电化学反应、物质浓度、流体流动、传热和固体力学多物理因素共同作用下,探明了电池在工作阶段的气体摩尔分数、电流密度、温度和热应力的分布规律。结果表明,氢气和氧气的摩尔分数随着气体流动的方向逐渐降低;在电池空气入口处,电解质电流密度较大;电池温度分布不均匀并产生了较大的热应力。本文建立的SOFC多场耦合模型可为后续SOFC的研究提供分析方法和理论支持。     

结合静电喷雾技术与浸渍法制备的固体氧化物燃料电池阴极

使用浸渍法制备具有纳米催化粒子的固体氧化物燃料电池电极可以提高电池性能。结合静电喷雾技术以及浸渍法制备的Sm0.2Ce0.8O2-δ（SDC）La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）浸渍阴极。对于静电喷雾技术中沉积温度对于薄膜形貌的影响做了讨论。阻抗谱研究表明,以300℃下沉积制得的薄膜为骨架的阴极具有最小的极化阻抗,在650、700、750、800℃分别为0.484、0.077、0.034、0.022Ω.cm2。以这种电极为阴极并以稳定的氧化锆为电解质的单电池在750℃时最大功率密度为254mW/cm。     

交流阻抗谱方法对钇稳定氧化锆晶界电性能的研究

采用交流阻抗谱技术测量了多晶钇稳定的氧化锆固体电解质的晶界离子电导率,并根据砖层模型估算了多晶陶瓷样品的晶界体积分数,分析了晶界体积分数与电性能的关系.     

Ba0.98Ce0.8Tm0.2O3-α的离子导电性及其燃料电池性能

用高温固相反应法制备了Ba_0.98Ce_0.8Tm_0.2O_3-α钙钛矿型氧化物固溶体,粉末X射线衍射表明该固溶体为单相. 用交流阻抗谱技术和气体浓差电池方法研究了样品在500～900 oC、不同气体气氛中的导电性,以及该样品为固体电解质的氢-空气燃料电池性能. 该电池能稳定地工作,在900 oC时,电池的最大功率密度为110.2 mW/cm²,高于以Ba_xCe_0.8RE_0.2O₃^- (x≤1, RE=Y, Eu, Ho)为固体电解质的氢-空气燃料电池的功率密度     

无锂助熔剂B_2O_3对Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_4)_3固体电解质离子电导率的影响

采用固相法制备锂离子电池用固体电解质磷酸钛锂铝Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_4)_3(LATP),研究了不同烧结温度以及助熔剂对LATP固体电解质离子电导率的影响.采用X射线衍射、能谱分析、扫描电镜和交流阻抗等方法,研究样品的结构特征、元素含量、形貌特征以及离子导电性能.结果表明,在900?C烧结可以获得结构致密、离子电导率较高的纯相LATP陶瓷固体电解质.与添加助熔剂Li BO2的样品进行对比实验发现,采用B_2O_3代替LiBO_2作为助熔剂也可以提高烧结样品的离子电导率,并且电解质的离子电导率随助熔剂添加量的增大,先增大后减小,其中添加质量百分比为2%的B_2O_3的样品具有最高的室温离子电导率,为1.61×10~(-3)S/cm.     

沉积温度对氧化钇稳定氧化锆薄膜残余应力的影响

采用自制掺摩尔分数12%的YzO2的ZrO2混合颗粒料为原料,在不同的沉积温度下用电子束蒸发方法沉积氧化钇稳定氧化锆(YSZ)薄膜样品.利用ZYGO MarkⅢ-GPI数字波面干涉仪对氧化钇稳定氧化锆薄膜的残余应力进行了研究,讨论了沉积温度对残余应力的影响.实验结果表明:随沉积温度升高,氧化钇稳定氧化锆薄膜中残余应力状态由张应力变为压应力.且压应力值随着沉积温度升高而增大;用X射线衍射仪表征了不同沉积温度下氧化钇稳定氧化锆薄膜的微观结构,探讨了薄膜微观结构与其应力的对应关系,并对比了纯ZrO2薄膜表现出的应力状念.     

连续梯度的功能层对燃料电池在初始还原过程中曲率及残余应力的影响

连续梯度的电极由于其相对于多层梯度电极能更加有效地缓解电极和电解质的热失配及改善界面黏接而受到特别的关注. 本文通过建立含连续梯度的阳极功能层的阳极支撑固体氧化物燃料电池的力学模型, 研究了连续梯度的阳极功能层对阳极支撑固体氧化物燃料电池半电池在初始还原过程中曲率及残余应力的影响. 结果表明电池的曲率在初始还原过程中随还原程度的增大而逐渐增大. 连续梯度的阳极功能层的引入不能同时改善电池的曲率和残余应力, 即连续梯度的阳极功能层在缓解应力的同时会导致曲率的增大, 反之亦然. 含有连续梯度的阳极功能层的电池在部分还原状态下, 梯度层/阳极支撑界面处具有最大的拉应力容易导致电池受损, 实际中应保证电池被完全还原.     

锌掺杂固态电解质材料磷酸钛铝锂的制备及第一性原理研究

高安全性的固体锂离子电池是目前研究的热点之一,固态电解质是研究全固态电池的关键.磷酸钛铝锂固体电解质(LATP)具有良好的发展空间,因此采用高温固相法,制备锌掺杂LATP(LAZTP)固体电解质,通过XRD、SEM分析对比其物象和形貌特征,并对这两种材料压片进行阻抗分析,研究材料的电化学性能.基于密度泛函理论的第一性原理,研究LAZTP的能带结构和态密度与材料电化学性能的关系.结果表明:所掺杂锌的LATP材料,在球磨工艺下,与LATP相比衍射峰尖锐,材料结晶度良好,都为R-3C结构,LAZTP微观尺度下材料颗粒清晰,呈块状,孔隙均匀致密度较好,离子电导率相比较高,为1.9×10^-3S/cm,而制作的LATP的电导率为4.02x10^-4 S/cm,掺杂后的电导率明显高出一个数量级.计算得出的LATP能带带隙为0.163 eV和LAZTP能带带隙为0.05 eV,分态密度中Ti-s、Li-s、Al-s峰值尖锐,变化明显,表明掺杂锌后,材料明显提高了导电率和结构稳定性.     

中温固体氧化物燃料电池的基本性质测量

介绍了固体氧化物燃料电池的工作原理,测量了中温薄膜固体氧化物燃料电池的开路电压、放电曲线及功率曲线,并分析了电池内阻随电流密度的变化.     

燃料电池概述

燃料电池在固定与分散电站、交通运输、移动电源等方面广阔的应用前景现已受到许多研究单位和公司的广泛关注，文章简要介绍了几种主要类型燃料电池(碱性燃料电池alkaline fuel cell，AFC)、磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell，MCFC)、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)、质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)、直接醇类燃料电池(direct alcohol fuel cell，DAFC)的特点、研究状况、市场需求和技术挑战，初步探讨了我国燃料电池研究开发的前景。