中溫固體氧化物燃料電池復合陰極材料prba0.92co2o5δgd0.1ce0.9o1.95性能研究

1、碩 士 學 位 論 文中溫固體氧化物燃料電池復合陰極材料PrBa0.92Co2O5+δ-Gd0.1Ce0.9O1.95 性能研究Study of properties of PrBa0.92Co2O5+δ-Gd0.1Ce0.9O1.95 compositecathode material of intermediate-temperature solid oxide fuel cell作 者 姓 名： 王 姣學科、 專業(yè)： 凝聚態(tài)物理學

2、 號： 21402043指 導 教 師： 姜雪寧副教授完 成 日 期： 2017 年 5 月大連理工大學Dalian University of Technology大連理工大學碩士學位論文- I -摘 要固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種將燃料中的化學能高效地轉(zhuǎn)化為電能的電化學裝置，具有燃料多樣化、清潔環(huán)保、可靠性高好等優(yōu)點，特別是，電池反應(yīng)過程不涉及燃燒，能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，能量轉(zhuǎn)換效率能高達 60%-80%，因此

3、被認為是極具發(fā)展前途的一種燃料電池。傳統(tǒng)的 SOFC 操作溫度較高（～1000℃），雖然有利于獲得較高的發(fā)電效率，但同時帶來的最大問題是材料成本過高，不利于商業(yè)化的應(yīng)用。SOFC 中低溫化（500-800℃）是其發(fā)展的必然趨勢。溫度的降低能夠提高電池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，延長電池的使用壽命，同時降低電池的制備與運行成本，但是，伴隨操作溫度的降低， 電池組元材料性能下降， 尤其是， 陰極的極化阻抗隨溫度降低急劇增大，成為導致電池內(nèi)損耗增大的重要因

4、素。因此，開發(fā)具有高氧還原催化活性的新型中溫陰極材料，減小電極極化阻抗，提高 SOFC 輸出功率，對于促進 SOFC 的發(fā)展與商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物 LnBaCo2O6-δ （Ln 為鑭系元素） 由于其優(yōu)異的混合離子-電子導電特性在中溫范圍內(nèi)顯示出潛在的應(yīng)用前景，成為中溫 SOFC 領(lǐng)域新的研究熱點。但由于 B 位 Con+ (n=2、 3、 4) 離子的還原變價與 Co3+離子的自旋態(tài)變化， 導致該類陰料的熱膨脹

5、系數(shù)（TEC）過高，與 Gd0.1Ce0.9O1.95 (GDC)、Sm0.1Ce0.9O1.95 (SDC)等常用電解質(zhì)材料的 TEC 值不匹配，容易導致 SOFC 高溫運行過程中結(jié)構(gòu)開裂與性能下降。因此，為了提高 SOFC 的結(jié)構(gòu)與性能穩(wěn)定性，降低陰極材料的 TEC 值、提高與電解質(zhì)材料的TEC 匹配，是目前鈷基層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陰極材料必須解決的關(guān)鍵問題。氧離子導體電解質(zhì)材料作為第二相的引入可以有效延長三相界面的長度， 增加反應(yīng)活性區(qū)

6、域，提高對氧的催化活性，進一步減小電極/電解質(zhì)之間的界面極化電阻。同時，電解質(zhì)材料的引入也有利于提高陰極與電解質(zhì)材料的熱膨脹匹配性。為獲得性能優(yōu)良的新型陰極材料，本論文以層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物 PrBa0.92Co2O5+δ（PB0.92CO）陰極材料為研究對象，針對該陰極材料目前存在的 500-700℃低溫區(qū)氧還原催化活性依然較低以及 TEC 值過高問題，進行進一步性能優(yōu)化探索研究。采用單相粉體合成-機械球磨混合方法， 制備了不同組成的

7、復合陰極材料 PB0.92CO-GDC （GDC 質(zhì)量百分比分別為 30wt%、40wt%，分別表示為 PB0.92CO-30GDC、PB0.92CO-40GDC），對復合陰極的相結(jié)構(gòu)、與電解質(zhì)材料的高溫化學相容性、熱膨脹行為、電化學性能、極化阻抗以及電化學反應(yīng)機制等進行了系統(tǒng)、 深入研究， 并與 PB0.92CO 單相陰極的相關(guān)結(jié)果進行了對比分析，探討了氧離子導體相 GDC 組元加入對復合陰極性能的優(yōu)化作用與物理、化學機制。具體研究內(nèi)