固體氧化物燃料電池陽極制備及穩(wěn)定性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells，SOFCs)可將燃料的化學能直接轉化為電能，具有能量轉化效率高、燃料適應范圍廣和環(huán)境友好等優(yōu)點，是一種市場發(fā)展前景看好的新能源技術。SOFC單電池由陰極、電解質和陽極三部分組成，其中陰極、電解質材料的研究已經較為充分，市場已推出相應的材料體系。在SOFC操作溫度中低溫化的發(fā)展趨勢下，陽極材料的開發(fā)顯得滯后，這是因為傳統(tǒng)Ni基金屬陶瓷陽極(Ni-YSZ，Ni-SDC)雖然具

2、有優(yōu)秀的電催化活性和良好的集電性，但在使用碳氫燃料（如甲烷，天然氣）時，陽極易出現積炭和硫中毒現象，這些問題很大程度上限制了Ni基陽極的商業(yè)化進程。本研究針對Ni-YSZ基陽極目前面臨的現狀，致力于探索直接對碳氫燃料進行催化氧化，且具有良好抗積碳的新型陽極材料體系，主要內容如下:
　　第一章簡要概括了固體氧化物燃料電池的研究背景、工作原理和電池各組件材料及制備技術的研究現狀。重點介紹了基于中低溫條件下操作的發(fā)展思路，傳統(tǒng)SOFCs

3、陽極面臨的挑戰(zhàn)及研究進展，提出本論文的研究目的和研究內容。
　　第二章給出了本研究論文所使用的試劑、粉體合成方法及樣品制備技術，介紹了用于材料理化性能測試表征所使用的儀器設備以及操作條件。
　　第三章探討了傳統(tǒng)陰極候選材料La0.8Sr0.2FeO3-δ(LSF)在引入GDC過渡層的情況下，作為陽極材料使用的可行性。結果表明:(1) LSF在H2氣氛下具有良好的物相穩(wěn)定性;(2)通過在LSF與YSZ之間添加過渡層，700℃界

4、面極化電阻由14.55Ω·cm2降低至4.39Ω·cm2，表明GDC過渡層能顯著改善LSF陽極在中低溫下的催化性能;(3)通過添加GDC過渡層，單電池在700℃時功率密度從90mW· cm-2增加到174 mW·cm-2，性能提高90％以上，且具有良好的穩(wěn)定性。表明LSF是一種有前景的陽極材料。
　　第四章采用Mo對Pr0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2O3-δ(PSFN)進行摻雜(PSFNM)，研究Mo摻雜對物相、電導率、熱膨

5、脹系數和電化學性能的影響，同時分別以PSFN和PSFNM作為陽極，構建LSGM電解質支撐的單電池，驗證PSFNM作為陽極可行性。結果表明:(1)通過Mo摻雜可抑制Fe、Ni往低價態(tài)轉變，提高材料在高溫還原氣氛下的物相穩(wěn)定性，同時改善電池組件間的熱機械匹配性;(2)650℃時Mo摻雜的界面極化電阻由2.763Ω·cm2減小至1.051Ω·cm2，表明Mo摻雜可明顯改善中低溫下的極化性能;(3)800℃時以PSFN和PSFNM為陽極的單電池

6、輸出功率和極化電阻分別為435 mW·cm-2、0.102Ω·cm2和537 mW·cm-2和0.066Ω·cm2，表明Mo摻雜可有效改善電池的輸出性能;(4)長期穩(wěn)定性測試表明PSFNM是有潛在開發(fā)價值的陽極材料。
　　第五章探討了PrBaMn2O5+δ和Pr0.9Ba0.9Mn1.8Fe0.2O5+δ兩種新型有序層狀鈣鈦礦材料作為SOFC陽極材料的物理化學及電性能。結果表明:(2)空氣氣氛下，PBMO和PBMFO兩者均呈現四方

7、相和六方相的混合物，為無序結構。經過高溫H2還原后，PBMO轉變?yōu)閱我烩}鈦礦相，PBMFO主相為鈣鈦礦，伴隨Pr2O3、Fe2O3以及BaFe4O7的析出;(2)高溫還原氣氛下，PBMO與YSZ發(fā)生反應，與GDC沒有相互作用;(3)Fe部分取代Mn位可有效增大載流子濃度，提高空氣和氫氣氣氛下的電導率;(4)相轉變前后，PBMO陽極單電池最大功率密度從75mW·cm-2增大到104 mW·cm-2，性能提高38.6％，而PBMFO陽極單電