質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池復(fù)合陰極材料的制備與性能研究.pdf

1、能源和環(huán)境問題是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展所面臨的主要問題，開發(fā)清潔環(huán)保的新能源成為人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。固體氧化物燃料電池(SOFC)作為一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境污染小和燃料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為研究熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng) SOFC對工作溫度要求較高，高的工作溫度必將帶來電極的燒結(jié)退化、界面的擴(kuò)散反應(yīng)以及難以封接等問題，因此降低電池操作溫度已成為 SOFC的主要研究方向。其中質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池（H-SOFC）

2、具有較低的活化能，是實(shí)現(xiàn)SOFC中低溫化的一個(gè)重要途徑。本論文主要研究了不同電解質(zhì) H-SOFC的電化學(xué)性能及不同組分陰極對電池電化學(xué)性能的影響。
　　第一章，簡述了 SOFC的研究背景、結(jié)構(gòu)類型、工作原理、關(guān)鍵材料以及質(zhì)子導(dǎo)體的傳導(dǎo)機(jī)制，并介紹了H-SOFC的發(fā)展現(xiàn)狀和本論文的研究思路。
　　第二章，簡單介紹了實(shí)驗(yàn)所需藥品與儀器，以及實(shí)驗(yàn)用到的表征方法與測試手段。
　　第三章，制備了NiO-BaZr0.1Ce0.7Y

3、0.2O3-δ（NiO-BZCY）/BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ（BZCY）/Ba0.5Sr0.5FeO3-δ(BSF)-Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)單電池。采用檸檬酸鹽燃燒法制備了單電池所需初始粉體。通過XRD對粉體相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出初始粉體均成相較好，無明顯雜相產(chǎn)生。單電池的功率測試表明，750℃下單電池的最大功率密度（MPD）為413.5 mW·cm-2，開路電壓（OCV）為0.926 V。對單電池電化學(xué)阻

4、抗譜的測試可以看出，750℃下單電池具有較小的極化電阻（Rp），阻值為0.301Ωcm2。通過掃描電鏡觀察單電池?cái)嗝娴奈⒔Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究了微結(jié)構(gòu)對電池性能的影響。
　　第四章，制備了BSF-SDC（7:3，5:5，3:7 wt％）三種復(fù)合陰極材料，主要研究了在以 BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb)為電解質(zhì)的基礎(chǔ)上，不同陰極組分對電池性能的影響。XRD檢測發(fā)現(xiàn)BZCYYb粉體呈現(xiàn)出單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，陽

5、極襯底中的電解質(zhì)BZCYYb和NiO之間相結(jié)構(gòu)獨(dú)立存在。煅燒后的BSF-SDC復(fù)合粉體中BSF和SDC呈分離相，BSF具有立方鈣鈦礦的峰，SDC具有螢石結(jié)構(gòu)，說明BSF和SDC之間的化學(xué)相容性良好，可以用做復(fù)合陰極材料。熱膨脹性能分析表明三組陰極材料200-750℃的熱膨脹系數(shù)依次為15.8×10-6 K-1，14.5×10-6 K-1和13.6×10-6 K-1，相對于鈷酸鹽基陰極的熱膨脹系數(shù)較低，更適合用于 BZCYYb電解質(zhì)。通過

6、對三種陰極單電池的電化學(xué)測試得出，750℃下BSF-SDC55和BSF-SDC37的最大功率密度為449和388 mW·cm-2，極化電阻為0.021和0.291Ωcm2。相對而言BSF-SDC73單電池具有較好的電化學(xué)性能，其750℃下的最大功率密度和最低極化電阻分別為531 mW·cm-2和0.019Ω cm2。結(jié)果表明 BSF-SDC73復(fù)合陰極可能是一種很有前途的 H-SOFC陰極材料， BZCYYb電解質(zhì)材料相較于BZCY表現(xiàn)