非對稱結構質子電解質微管中溫燃料電池性能

陳長城,Ben H RAINWATER,丁 冬,白耀輝,張 馳

(1.西安建筑科技大學 理學院,陜西 西安710055;2.佐治亞理工學院 材料科學與工程學院,佐治亞州 亞特蘭大30332;3.愛達荷州國家實驗室 能源與環境科學技術實驗室,愛達荷州 愛達荷福爾斯83415;4.華南理工大學 化學與化工學院,廣東 廣州510641)

實現清潔低碳發展、加快新能源的開發利用是當今現代科技和工程的一個主要問題。具有高能量轉換效率的固體氧化物燃料電池能夠有效緩解能源危機和環境污染,被認為是在綠色能源領域最有前景的系統之一[1]。因為在800～1 000℃的溫度范圍內具有較高的離子導電性,釔穩定立方氧化鋯(YSZ)成為常用的電解質之一[2]。但是相對較低的離子電導率,限制了以YSZ作為電解質的電池工作溫度,通常高于800℃[3]。

通過降低電解質厚度可以提高電池在較低溫度的功率密度,但是電池同時存在制備無泄漏電解質層的挑戰、電極厚度增加引起的氣體傳輸限制以及氧化還原情況下的機械損壞等缺點[4]。目前,眾多研究都在關注新型材料作為中溫固體氧化物燃料電池的電極與電解質[5]。與常規氧化物離子導體相比,質子傳導材料由于具有較低活化能(0.4～0.6 e V)、中溫(400～750℃)具有更高的電導率而成為研究熱點[6-7]。在質子傳導材料中,Ba Ce0.8Y0.2O3-δ(BCY)[8-9],BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ(BZCY)[10-11]和Ba-Zr0.1Ce0.7-Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb)[12-14]等釔鋇摻雜質子導體材料是中溫區域提高單位體積電導率的潛在電解質材料。并且,有研究表明BaZr0.1Ce0.7-Y0.2-xYbxO3-δ(x＝0～0.2)的鋇鋯-鈰酸鹽與釔和鐿共同摻雜情況,元素協同作用可以提高材料的離子電導率[15-16]。

在電池結構方面,微管結構是可以比傳統的平板結構和管式結構提高體積功率密度的有效方法之一。……