中温固体氧化物燃料电池新型阳极材料制备和性能表征

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1、UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor，SdegreeFabriCatiOnandCharaCterizationofNovleAnodeMaterialsforIntermediateTemperatureSolidOxideFueICellsAuthor’sName：specialltV：^．，Supervisor：Finishedtime"MaterialsscienceProf．ChangrongXia一May1，2012中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的

2、学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：鏊壁丛签字日期：兰竺!兰：垃中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论

3、文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相。致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。驴开口保密(——年)作者签名：签字R期：磺良久少fj、f、牟导师签名：签字同期：小fzt5tjr摘要固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效的电化学能源转化器件。在商业化进程不断推进的情况下，传统的SOFC在运行中还存在着许多材料和技术方面的问题，其中两个主要的问题便是高催化活性材料的选择和材料使用过程中的稳定性。本文主要目的是在提高阳极在中温操作下的催化活性的同时获得高的稳定性。本论文工作分为三个部分，一部分研究了中温下一种新型的不含离子导电性的镍基陶瓷阳极，第二部分是构建

4、复合阳极，对钙钛矿型阳极的成分进行优化，第三部分则是开发了一种新型的高催化性和稳定性的双钙钛矿阳极。论文首先简单介绍了SOFC的操作原理和SOFC各关键材料，重点讨论了SOFC阳极材料的相关最新研究进展，在概述了SOFC的发展现状和趋势的基础上，确立了本论文的研究目标和研究内容。第二章研究了一种镍基一镧系氧化物M．Lnox(Ln=La，Ce，Pr,Nd，Sm，Eu，Gd，Dy，Ho，Er，Yb，Tbl中温阳极。与传统的Ni．YSZ和Ni．SDC阳极不同的是，由于LnO。可忽略的离子导电性，这种阳极可认为是非离子导电的。这意味着该阳极的三相线界面(TPB)仅仅限于

5、电解质／N极的物理界面，从而导致阳极体内较低的TPB。即便如此，该阳极在中温下显示出了不低于Ni．SDC阳极的性能。在6000C湿氢气为燃料下Ni／LnOx(Sm，Eu，Ce，Gd，Dy，Ho，Er，Yb)阳极在SDC为电解质时对应的单电池的平均最高功率密度为600mWcm-2，高于Ni／SDC阳极对应的单电池的544mWcm一。此外，以Ni—Sm203阳极为例，研究了这种阳极在ScSZ电解质下的电极性能。在7000C湿氢气为燃料时，Ni．Sm203阳极以ScSZ为电解质时对应的单电池最高功率密度为410mWcm-2，界面阻抗为0．7Qcm2，与文献报道同电解质

6、下以Ni．SDC或Ni．YSZ为阳极的单电池的功率密度处于同一水平。通过分析我们推测阳极的高性能可能来自于LnOx独特的氧化催化能力。论文第三章本章接上一章，以Ni．LnO；(Ln=Dy，Ho，Er，Yb)阳极为例，较系统的研究了这种不含离子导电性的高性能阳极的催化机理。通过TPR的表征发现Ni粒子和镧系氧化物之间有很强的相互作用，Ni．LnOx相对纯Ni更多的耗氢量表明材料有多余的氢物种的吸附和迁移，而这种溢流效应可以增强阳极反应的速率，提高电极性能。通过测试电池在燃料不同氢分压时的阻抗谱比较进一步证实了Ni—LnO，阳极中氢物种溢流效应的存在。通过与Ni．S

7、DC阳极的对比，我们可以推断，在阳极中催化活性和三相线长度的意义同等重要。然而，关于这种镍基镧系氧化物阳极催化氧化机理需要更深入的理论和实验的研究。第四章采用机械混合法制备了Sr2Fel．5M00．506-6-Smo．8Ceo．201．9(SFM—SDC)复摘要合阳极。采用氧渗透法测试了在氧化性和还原性气氛下SFM的氧离子电导率。基于SFM阳极较低的离子电导，向电极中添加了SDC第二相。考察了不同混合量的SDC对SFM基电极的电导率和微观结构的影响。采用电化学阻抗谱测量了以SFM．SDC为电极的对称电池，结果表明SFM．SDC电极的极化电阻(风)随SDC的加入而

8、减小。单电池的测试表明，