中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备与表征

《中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备与表征》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要捅要固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、环保的发电装置。传统的SOFC在高温下工作。高温操作能促进快的反应动力学，减少了对贵金属催化剂的需求，还能让碳氢化合物燃料内重整，废热适合再利用。然而，从经济的角度来讲，SOFC在目前还不能够和已有的发电技术相竞争，主要是由于高温(>8000C)操作带来的诸多问题，包括电池组件的高温氧化、腐蚀、化学扩散和反应造成的性能衰减等。一个降低成本的方法就是降低工作温度到7000C以下。然而，降低SOFC的工作温度至。500一7000C这个中温范围，仍旧是SOF

2、C发展中的一个挑战。SOFC的整个电化学性能会随着工作温度的下降而下降，这主要是由于电极的极化电阻增加以及电解质电导率下降造成的。来自电解质上的问题在一定程度上，已经通过使用新型电解质材料和电解质薄膜化技术解决了。因此，关注的焦点从电解质转向了电极。因为电极在SOFC中表现出较高比例的电压损失。阴极成为电极发展关注的中心，这主要是因为氧还原反应在SOFC低温工作时更加难被激活发生反应。因此，开发高电化学催化活性的阴极对于中温SOFC至关重要。本博士学位论文的目的就是开发新的阴极，使其具有高的催化活性和

3、长久的使用寿命。论文第一章，大致介绍了SOFC的工作原理和关键材料如电解质，阴极，阳极和连接材料。此外，还简单介绍了SOFC的现状和发展趋势，基于SOFC中温化的趋势，确立了本论文的研究目标：即开发新型的混合离子电子导体(MIEC)阴极材料和具有新颖微结构的复合阴极。论文第二章，为了理解氧还原过程，简要介绍了SOFC阴极氧还原反应中的三种反应路径。由于MmC是最具潜力的阴极材料，所以有必要深入理解多孔MIEC中的氧还原过程。通过系统地分析和讨论连续理论模型，建立了对MIEC电极的氧还原过程清晰的认知图

4、像。论文第三章，考察了La2．xSrxCoo．8Nio．204+6(LSCN，x=O，O．4，O．8，1．2，1．6)-Ceo．9Gd0．101．95(GDC)作为中、低温固体氧化物燃料电池阴极的可行性。l<2NiF4型氧化物La2Coo．8N也04+6是一种超氧化学计量的氧化物，这类氧化物在4500C到6500C这一温度范围内具有高的氧扩散和氧表面交换系数，根据第二章中提到的连续理论模型的结论来看，它是一种潜在的MIEC阴极材料。我们做了一系列的实验表征了这类复合电极。其主要结果如下：1)对称电池的

5、交流阻抗谱表明在一系列的LSCN．GDC复合电极中，LaI．2Sro．8Coo．8Nio．204+6基电极有着最小的界面极化阻抗，即6000C电极没有活化时的阻抗为1．36Qcm2。2)当单电池在200nAcm也的电流下通过30分钟后，可以观察到明显的活化效摘要应。3)以Lal．2Sro．8Coo．8Nio．204+6．GDC为阴极的电池在6000C的输出功率为350mWcm．2，且在36小时的0．5V恒压放电测试中，输出功率没有明显下降，十分稳定。这些结果表明，La2．。SrxCoo．8N也04+6

6、是潜在的适合在中低温操作的阴极材料。进一步的工作将集中在改善LSCN．GDC的电化学活性上，即通过改变复合电极中GDC的含量，以及通过降低制备温度来增大表面积，还可以优化sr的掺杂量来提高电极的性能。论文第四章，开发了一种高稳定的中温SOFC电极，这种电极是Lao．6Sro．4C03．6(LSC)基的浸渍复合电极。这种复合电极的制备过程是：先通过丝网印刷和高温共烧工艺制备阴极的多孔骨架(Ceo．8SIIl0．201．9'SDC)，然后以离子浸渍为手段在多孔骨架中负载高活性的阴极颗粒(LSC)。该电极的

7、特征是：电极骨架完好地和电解质相连接，而细小的LSC颗粒均匀地附着在SDC骨架的内表面。其中，完好连接的结构为氧离子传输提供了通道(氧离子从阴极经过多孔骨架SDC传输到电解质基底上)，LSC颗粒之间的接触连接为电子的传输提供了通道(电子从集电极经过LSC传输到反应活性位)。对该电极的优化和电化学性能表征的主要结果如下：1)LSC的浸渍含量及LSC浸渍颗粒的焙烧温度均对浸渍电极的性能有明显的影响。在一定的操作温度下，浸渍电极的性能随着LSC的浸渍含量的变化而变化，浸渍含量有一个最佳值，它对应于电极的最低

8、极化阻抗。在浸渍量低于最佳浸渍含量时，电极阻抗随着浸渍含量的增加而减小。在浸渍量高于最佳浸渍含量时，电极阻抗随着浸渍含量的增加而增加。浸渍颗粒LSC的焙烧温度也对电极性能产生影响。在浸渍颗粒完全成相的前提下，升高焙烧温度使得电极阻抗增加。对于LSC浸渍的颗粒而言，最佳的焙烧温度是8000C焙烧2小时。2)复合电极的电化学性能通过电化学阻抗谱来表征。尽管LSC和SDC的热膨胀系数差别很大，但是结果却证明了这种浸渍阴极具有高的热抗震性。该浸渍电极在20次50