现状的研究基于氧化锆为固体氧化物燃料电池电解质

文摘

现状研究的目的是提供一个发展的洞察力电解质材料固体氧化物燃料电池(sofc)。近年来的主要利益是减少固体氧化物燃料电池的工作温度,因此,像热不稳定性的问题,高的化学反应等可以最小化以及燃料电池的生活可以增加与减少成本。也减少固体氧化物燃料电池的工作温度是迫切需要为其广泛的商业化。但是作为固体氧化物燃料电池的工作温度取决于电解质材料的选择,这需要电解质材料的发展有足够的离子电导率即使在较低的温度范围。最常用的固体氧化物燃料电池电解质材料是氧化锆掺杂三价氧化物引入职位空缺为O2−的晶格氧离子可以运输。摘要前景和掺杂氧化锆为固体氧化物燃料电池电解质的问题进行了讨论和比较研究各种材料作为电解液的性能。但是没有一个人完全保证主要城市的废物管理的需求越来越大。相比,这项工作我们有各种方法的废物管理和提出一个更好的等离子气化法,热解的固体废物发生在非常高的温度从而确保气化炉合成气作为输出。方法不仅对所有类型的浪费,但也产生了许多有用的副产品和电力。

关键字

固体氧化物燃料电池电解质,YSZ ScSZ

介绍

因为我们的有限的资源和日益增长的环境问题有必要环境友好和高效的能源转换技术。在这个方向上,燃料电池是有希望的候选人。这些非常低的环境影响,也提供效率高,所以他们可以用于清洁能源发电技术。在各种燃料电池、固体氧化物燃料电池(sofc)是非常重要的,因为他们提供效率高、燃料灵活性,非常少排放,使用固体陶瓷电解质。还固体电解质克服与液体电解质管理相关的问题(1]。

固体氧化物燃料电池设备允许直接化学能转化为电能源通过电化学反应。他们由三部分阳极、阴极和电解质。固体氧化物燃料电池的电解质的主要角色是给离子运输从阴极到阳极和防止气体扩散或泄漏从阴极和阳极。除了作为离子导体,一个典型的SOFC电解质应满足几个重要的需求,诸如良好的热稳定性和化学兼容性与其他组件的细胞。电极之间的电解质作为屏障,有助于将氧化物离子在电极之间。为了避免阴极和阳极室之间的气体泄漏,其相对密度方法的理论和离子电导率应必须足够高,整体固体氧化物燃料电池操作的效率(2]。为了满足这些要求,一个完全致密YSZ电解质是必要的。所以,有一个需要密度减少的YSZ电解质温度。进一步,固体氧化物燃料电池的研究现在专注于优化固态电解质的离子电导率。此外,如果氧离子的导电性固体氧化物燃料电池甚至可以在较低的温度仍然很高,固体氧化物燃料电池将扩大,许多现有的材料选择问题可以解决。我们可以优化制造和加工技术,以提高电解质材料的性能。的主要效应引入aliovalent氧化锆晶格中阳离子的氧化离子空缺,是航空公司收取增强的离子电导率。此外,在这些有缺陷的氧化物,高温立方阶段就在室温下稳定。氧化电解质离子导电覆盖范围广泛的材料包括萤石、钙钛矿,布朗千仪式结构材料等四个主要类型的固态电解质系统已被关注的主题是基于完全或部分稳定氧化锆,掺杂二氧化铈掺杂LaGaO₃和掺杂Bi₂O₃(3- - - - - -7]。在每个系统中,有大量的子类别的材料与一个或多个内容掺杂剂,提高离子传导或稳定增长阶段。掺杂剂的类型及其浓度对相位稳定性有显著的影响,化学反应性,离子电导率、热机械性能。也有可能,这些材料的微观结构可以设计和优化从而导致增加纯兴趣和掺杂氧化锆。高离子电导率,曾被认为是掺杂氧化锆电解质材料,掺杂二氧化铈掺杂铋氧化物等,除了少量的烧结添加剂有可能改变YSZ的烧结活性以及它的离子电导率。氧化钪掺杂氧化锆是特别有趣,因为他们甚至是稳定的减少以及条件,热,机械性能类似于氧化钇稳定氧化锆,它是使用最广泛的材料作为固体氧化物燃料电池电解质(8,9]。

掺杂氧化锆为固体氧化物燃料电池电解质

氧化钇稳定氧化锆电解质

据Subhash c·辛格尔(2007),Yttria-doped氧化锆(YSZ)是应用最广泛的材料在固体氧化物燃料电池电解质由于其足够的离子电导率,化学稳定性和机械强度。纯氧化锆(ZrO₂)有一个单斜结构的温度约1446 K, 1446 K以上正方修改它改变。温度高于2643 K氧化锆采用立方萤石结构。高温阶段可以部分或完全在室温下稳定等aliovalent氧化物掺杂氧化钇(Y₂O₃),氧化钙(曹),氧化钪(上海合作组织)或氧化镁(分别)。立方稳定氧化锆改善了机械和热性能,如强度高、韧性和热冲击阻力(10]。稳定氧化锆的离子电导率取决于大小和浓度掺杂剂。氧化钇是最常用的掺杂剂稳定的立方相的氧化锆。Y的加法₂O₃稳定的氧化锆立方萤石结构,室温和改变不导电的氧化锆离子导电材料。在掺杂ZrO₂与Y₂O₃,锆^{4 +}阳离子的ZrO₂晶格取代的Y^{3 +}阳离子,从而形成氧空位保持中立的晶格。立方萤石结构具有面心立方(FCC)氧化锆晶格和立方晶格氧放置在FCC晶格。的锆^{4 +}阳离子占据四面体网站和O₂^{- - - - - -}阴离子八面体网站。剩下的八面体网站的锆^{4 +}阳离子。在各种电解质,氧化钇稳定氧化锆(YSZ)被广泛用作固体氧化物燃料电池电解质由于其高氧离子电导率高的温度。然而,高温引起的热降解,热膨胀不匹配,甚至电极和电解质之间的界面反应11]。氧化钇掺杂氧化锆聚晶体表现出良好的强度和断裂韧性。因此,在Y的增加几个百分点₂O₃,立方阶段可以在较低的温度下获得的。ZrO的晶体结构₂从单斜变换到正方当Y的内容₂O₃增加,而Y₂O₃增加到8摩尔%促进进一步的阶段转换从正方立方。为了避免加热和冷却时的相变周期,YSZ陶瓷的独家立方高温应用阶段是可取的,这样的阶段被称为完全稳定阶段和稳定ZrO₂已被广泛应用于多个领域。在这些稳定系统、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)是最常见的12]。获得一个完全稳定的氧化锆(立方)Y₂O₃> 7摩尔%的内容,而一个Y₂O₃约2 - 6摩尔%的内容给出了部分稳定氧化锆(13]。此外添加置换阳离子如钙^{2 +}、镁^{2 +}或Y^{3 +}价低于锆离子(锆^{4 +}),诱发氧空位的产生负责赔偿。例如,Zr的替换^{4 +}与Y^{3 +}导致晶格负净电荷。空缺使氧离子进入电解液的跳空缺在晶格空位。氧空位的浓度是由掺杂剂的浓度(14]。

稳定ZrO唯一的缺点₂是低离子电导率低于750°C。可以解决这个问题通过减少YSZ电解质的厚度和寻找其他受体氧化钪取代y的使用氧化钪稳定氧化锆(ScSZ)最近所示两倍多的功率密度达到传统固体氧化物电解质材料燃料细胞在中间温度(600 - 800°C) (15]。虽然8 ysz具有高离子电导率、低机械性能限制其应用。为了增加8 ysz的机械性能,一些因素如粒度和粒度应考虑,可以使用不同的烧结方法16]。

斯坎迪亚稳定氧化锆为固体氧化物燃料电池电解质

氧化钪稳定氧化锆(ScSZ)是另一个候选人在固体氧化物燃料电池电解质为应用程序可以低于800 - 850°C和基于ScSZ电解质的发展和长期稳定的高导电率的重要性。尽管找到更高的离子电导率与Sc立方fluorite-type ScSZ阶段₂O₃内容大约10 mol %相比yttriastabilized氧化锆(YSZ),该系统是保利阶段和导电性不是很稳定在延长退火操作温度。一种避免有害的阶段转换和稳定的立方修改ScSZ部分替换的Sc y .据报道,替代氧化钇氧化钪的超过10%成功消除了cubic-rhombohedra相变。一起构成Y掺杂的导电率ScSZ及其稳定当时受到正方相在微量的存在取决于烧结温度和氧化钇含量(17]。ScSZ已被证明具有较高的电导率和离子电导率和特定的电导率最高氧化锆掺杂稀土离子的材料。在操作温度700 - 1000°C ScSZ材料的离子电导率最高约10摩尔百分数Sc₂O₃(18]。ScSZ已被证明具有较高的电导率和离子电导率和特定的电导率最高氧化锆掺杂稀土离子材料(19,20.]。这是归因于低协会缺陷反应焓和Sc之间的相似性^{3 +}、锆^{4 +}离子半径。在操作温度700 - 1000°C ScSZ材料的离子电导率最高约10 mol % Sc2O3 [21]。9摩尔% Sc的离子电导率₂O₃-ZrO₂几乎是两倍的ysz在1000°C。氧化钪掺杂氧化锆具有较高的离子电导率与YSZ电解质离子半径因为钪小于非常接近钇锆导致电导率最高(22]。立方阶段ScSZ系统离子电导率最高,因此适用于使用作为固体氧化物燃料电池的固体电解质(23]。然而立方相不稳定在较低温度(低于650°C),已导致离子电导率突然减少。抑制一个不受欢迎的相变与Al兴奋剂₂O₃,Yb₂O₃首席执行官₂高频振荡器,₂乔治亚州₂O₃等可以做(24]。9摩尔% Sc的离子电导率₂O₃-ZrO₂几乎是两倍的ysz在1000°C。然而,Sc₂O₃稀缺和昂贵的为实际使用作为大型固体氧化物燃料电池的电解质部署(25]。

据Raj辛格et al。(2007)与9.2 mol % Sc组成₂O₃在研究了锆为固体氧化物燃料电池电解质在中间操作温度范围为600°C - 800°C。新ScSZ陶瓷是由添加氧化钪(Sc₂O₃氧化锆(ZrO)₂)优化晶体结构。新ScSZ展览提高离子电导率和机械强度与YSZ相比,虽然其热膨胀系数与氧化钇稳定氧化锆(YSZ)。根据山本Osamu et al。(2004)以8摩尔% ScSZ Sc₂O₃表现出立方阶段和11摩尔%和12摩尔% Sc₂O₃在室温下表现出菱形的阶段。据美国Sarat(2000)添加Bi₂O₃发现ScSZ电解质稳定立方结晶相。还2摩尔% Bi₂O₃掺杂ScSZ给0.18 SCm的导电性¹在600°C。Sc₂O₃再版氧化锆聚晶体断裂强度也高。Hirano表示,et al。(2000)断裂强度显著提高,同时增强导电性,掺杂的氧化锆聚晶体3 - 7摩尔% Sc₂O₃已经获得。据J.T.S.欧文et al(2005),它已被证明在氧化钪2摩尔%氧化钇稳定氧化锆的结果形成立方相,因此避免了主要阶段的变化,我们认为不利于长期电解质稳定性。这可以实现添加氧化钇没有重大损害的导电性scandia-stabilised氧化锆。此外,SSZ电导率高于YSZ,在780°C的YSZ甚至高于1000°C。ZrO₂有11个Y摩尔%₂O₃丝毫没有老化退火在1000°C超过6000小时。显示了一个从菱形的结构为立方结构相变体积变化在600°C。这个立方相可以在室温下稳定的少量的CeO₂和艾尔₂0₃。Scandia-doped氧化锆的电导率高于YSZ但高成本的钪和有害的氧化钪掺杂ZrO老化的影响₂使其在固体氧化物燃料电池商业化的吸引力。然而,有限的可用性和高成本的氧化钪一般都有限的兴趣在燃料电池中的应用。许多进展单相电解质材料增强的离子电导率,但他们仍远未商业化的标准。进一步Scsz可以应对像铋掺杂剂来提高性能。据报道,由不同数量的Bi₂O₃在ScSZ 0.25 - -2.0摩尔%的范围很多结构性电导行为变化是可能的。原ScSZ样本表明菱形的晶体结构,一般有较低的电导率比立方相。然而,添加Bi₂O₃发现ScSZ电解质稳定立方结晶相由XRD检测。阻抗谱的测量温度范围350到900°C表示急剧增加,电导率的Bi系统包含2摩尔%₂O₃这是归因于立方相的存在。此外,阻抗谱测量显示显著减少粮食散装和晶界抗性对温度的变化从600年到900°C和Bi的浓度₂O₃从0.5到2摩尔%。在600°C获得导电性2摩尔% Bi₂O₃掺杂ScSZ是0.18厘米⁻¹(26]。还一个小2摩尔%的氧化钇稳定的氧化钪稳定氧化锆结果立方相,因此避免了氧化钪的主要阶段的变化发生在热循环取代氧化锆,可能会损害长期电解质稳定性。

结论

氧化钇稳定氧化锆是一种艺术状态用于在固体氧化物燃料电池电解质材料。在各种可能的化合物固体氧化物燃料电池电解质,Scandia-stabilized氧化锆显示电解地区导电性的最高价值。yttria-stabilized氧化锆电解质的离子电导率值相同,固体氧化物燃料电池的工作温度与ScSZ电解质可以降低。斯坎迪亚比传统的氧化钇稳定氧化锆提供更好的电气性能稳定的材料。然而,有限的可用性和高成本的氧化钪一般都有限的兴趣在燃料电池中的应用。政治和经济的变化在过去的十年里大大提高了氧化钪的可用性,使其商业应用值得考虑,尽管仍有一些不确定性对其最终的市场价格。

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