ABO3(A=Ba;B=Fe,Co)鈣鈦礦型陰極材料的電性能及其應用.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種新型綠色化學發(fā)電裝置。由于其具有能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料適配性強、環(huán)境友好等優(yōu)點，受到世界范圍內(nèi)的關(guān)注和研究。SOFC的單電池包括多孔性陽極、陰極和致密的電解質(zhì)。
　　 高溫(800℃以上)固體氧化物燃料電池會導致了一系列嚴重問題，如:制作成本較高，電極與電解質(zhì)成分易相互擴散，材料易老化，封接材料難選擇，等。為了發(fā)展中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)，目前有兩種較好的方法。一種方法是采用較低

2、溫度下具有高電導率的固體電解質(zhì)材料。還有一種方法是電解質(zhì)薄膜化。電解質(zhì)薄膜化能顯著降低IT-SOFC的內(nèi)阻，減少IT-SOFC的能量損失。但隨著燃料電池工作溫度從高溫降至中溫，陰極極化電阻迅速增大、成為限制電池性能的重要因素，因此，IT-SOFC的陰極材料一直是研究的重點之一。
　　 傳統(tǒng)合成氨的方法是所謂的Haber-Bosch法，是以氮氣和氫氣為原料，在約450℃、15-30MPa高壓和Fe基催化劑條件下合成。該方法因需高壓

3、，存在對設(shè)備要求高、能耗高、成本高、及氫的轉(zhuǎn)化率低(10-15％)問題。因此，實現(xiàn)常壓合成氨是人們夢寐以求的目標。質(zhì)子導體可應用于常壓合成氨。
　　 基于上述情況，本論文著重進行了質(zhì)子導體薄膜IT-SOFC性能及常壓合成氨研究。本論文的主要研究工作及結(jié)果如下:
　　 (1)第一章概述了燃料電池的基本原理、結(jié)構(gòu)、各組件的特點，著重對固體氧化物燃料電池的陰極材料進行了綜述。
　　 (2)利用硝酸鹽-檸檬酸法制備了單一

4、鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的Ba0.5Sr0.5Co0.8Cu0.2O3-δ陰極材料、及BaZrxCe0.8-xGd0.2O3-δ和BaZr0.1Ce0.75Y0.15O3-δ電解質(zhì)材料。在300-800℃空氣氣氛中Ba0.5Sr0.5Co0.8Cu0.2O3-δ陰極材料具有較高的電導率(電導率為69-112Scm-1)。分別以BaZr0.1Ce0.7Gd0.2O3-δ及BaZr0.1Ce0.75Y0.15O3-8薄膜為電解質(zhì)，以Ba0.5Sr0.5

5、Co0.8Cu0.2O3-δ為陰極，組裝成的單電池獲得了優(yōu)良的燃料電池性能，700℃時最大功率密度分別為411mWcm-2和351mWcm-2，電極極化阻抗分別為0.284Ωcm2和0.145Ωcm2。
　　 (3)利用硝酸鹽-檸檬酸法制備了單一鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的Ba0.5Sr0.5Fe0.8Mn0.2O3-δ(BSFMn)陰極材料，并且獲得了在本論文研究的燃料電池中最高的燃料電池性能。BSFMn在氧氣氣氛中400℃時具有最高的電導

6、率為155Scm-1。采用簡易的漿料旋涂方法制備了陽極支撐的BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-α(BZCY)電解質(zhì)薄膜，以Ba0.5Sr0.5Fe0.8Mn0.2O3-δ為陰極，組裝成的單電池在700℃時的最大功率密度為500mWcm-2，電極極化阻抗為0.16Ωcm2。
　　 (4)利用硝酸鹽-檸檬酸法制備了新型系列無鈷單一鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的陰極材料Ba0.5Sr0.5Fe1-xMoxO3-δ。Ba0.5Sr0.5Fe0.9M

7、o0.1O3-δ(BSFM10)在400℃下空氣中最高電導率達到192.3Scm-1。利用簡易、低成本的漿料旋涂法及隨后的熱處理在NiO-BZCY陽極支撐體上成功地制備出致密、均一的BZCY固體電解質(zhì)薄膜，以BSFM10-BZCY為復合陰極時，單電池在700℃時最大輸出功率密度達到420mWcrn-2，開路電壓為1.01V，電極極化阻抗為0.15Ωcm2。
　　 (5)利用硝酸鹽-檸檬酸法制備了復合鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的新型陰極材料Gd

8、BaFeNiO5+δ，其在氧氣、空氣及氬氣氣氛中的最高電導率分別為185Scm-1、161Scm-1及112Scm-1，表明該陰極材料具有優(yōu)良的導電性能。利用簡易的漿料旋涂法在NiO-BZCY陽極支撐體上成功地制備出致密、均一的BZCY固體電解質(zhì)薄膜，以GdBaFeNiO5+δ為陰極，單電池具有優(yōu)良的性能，最大功率密度在700℃時為456mWcrn-2，電極極化阻抗為0.147Ωcm2。
　　 本章研究還組裝了與上述固體氧化物燃