铈酸钡基单相阴极机理探索及其燃料电池性能优化

The proton-conducting solid oxide fuel cells(SOFCs) have been regarded as a promising method of energy conversion for their low activation energy and high utilization effiency, but the cathode mechanism has not been reserached deeply. Considering the important effect of cathode material to the cell performance of the proton-conducting SOFCs, the applicator prepares the single phase BaCeO3 cathode materials. The transmit mechanism of proton and electron in the cathode structure and its influence to the cell perfomance are studied combined with the techniques of concentration cell、symmetric cell、impedence spectroscopy and computer simulation. The rate controlling steps of cathode catalysis reactions are also been reserached and the cathode model of proton conducting SOFCs is built. Based on the mechanism, we adopt two approaches of impregnation technique and graded cathode structure to improve the cathode catalysis activity and cell performance. All of these works lay the root for the commercial use for the SOFCs.

由于较低的活化能和高的能源利用效率，质子传导陶瓷膜燃料电池是一种很有前途的能源转换方式，但阴极机理方面并未深入进行研究。考虑到阴极对质子传导陶瓷膜燃料电池性能的重要影响，本课题在制备BaCeO3基单相结构的质子导体燃料电池阴极基础上，利用浓差电池、对称电池、阻抗谱及计算机模拟等技术手段，探询单相阴极材料中的质子、电子传导机理和它对于质子导体燃料电池性能的影响，研究阴极催化反应速率决定步骤，构建质子导体燃料电池阴极模型，为阴极材料选择提供理论依据，并在阴极机理探索基础上，采用浸渍工艺和梯度阴极结构设计两种途径，提高质子导体固体氧化物燃料电池的阴极催化活性和电池性能，为固体氧化物燃料电池的商业应用打下基础。

能源问题和环境问题是当今人类社会面临的巨大挑战，在开发利用新能源的同时，高效利用现有的化学能源是解决能源环境问题的一个重要途径。固体氧化物燃料电池是解决能源危机的一个重要技术手段。本项目将针对固体氧化物燃料电池阴极材料进行研究希望提高电池性能和稳定性。主要研究内容和研究结果包括：（1）制备出性能较好的BaCeO3基质子传导固体氧化物燃料电池，在此基础上，利用电化学分析法成功分析了质子导体阴极导电机制，确定了阴极三相界面的影响；（2）基于阴极导电机制的研究，我们通过浸渍工艺成功制备出了具有纳米机构的复合阴极材料，从而提高阴极的三相界面面积，同时避免影响空气中氧离子的吸附，可以有效降低阴极极化电阻，提高电池性能。（3）通过掺杂制备了具有高度化学稳定性的BaCeO3基电解质，同时制备出高度致密性的BaZrO3基电解质，通过获得稳定的电解质材料，制备出具有稳定结构的电池，并初步尝试了电解水的测试，可以实现水和二氧化碳的电解。（4）合成了具有较好抗积碳能力的阳极结构，通过使用新的阳极材料，电池在使用甲烷和乙醇作为燃料时体现了较好的长期稳定性，100小时无衰减，为碳氢燃料的应用提供了实验验证；通过对比项目申报书，本项目基本完成了预期研究目标，获得了大量宝贵经验和重要研究结果，可有效推动固体氧化物燃料电池未来的商业化应用。相关研究成果发表SCI学术论文13篇，其中SCI一区论文10篇，获得市级优秀学术成果奖一等奖。