中温固体氧化物燃料电池新型阴极材料的研制

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1、中温固体氧化物燃料电池新型阴极材料的研制摘要固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型的全固态能量转换装置。当前SOFC的研究热点之一是将其运行温度降低至500～800℃，即开发中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)。中温化不仅可以降低SOFC的制造成本，还可以提高其电能转换效率和开路电压。而要实现SOFC的中温化，不仅需要研制500-800℃下操作时稳定的高电导电解质材料，还需要开发与之相适应的高性能电极材料。Smo．8Ceo．201．9(SDC)是良好的中温固体氧化物燃料电池电解质材料。由于原料粉体特性对电解质的性能有极其重要的影响，本文采

2、用凝胶浇注(gelcasting)和甘氨酸一硝酸盐法(GNP)分别制备出了SDC粉体，并对其粉体特性和烧结性能进行了分析对比。结果发现：两种方法制备出的SDC粉体均具有纳米级粒度，粉末粒度分别在50nm和70nm左右，颗粒细小、均匀，呈近球形。在700℃下煅烧，其晶粒尺寸分别为13．60nm和14．79nm。两种方法制备的SDC粉体压坯在1400℃下烧结，均能获得相对密度高于96％的致密烧结体。相比之下，GNP法由于燃烧瞬间温度很高，所得粉体比表面积大，烧结活性高，易于烧结致密化，但难于收集。而凝胶浇注法工艺简单，适于大量生产。近年来，具有离子

3、．电子混合导电特性的AB03型钙钛矿氧化物作为固体氧化物燃料电池阴极材料受到广泛关注。其中Lao．6Sro．4Coo．2Feo．s03．6(LSCF)和Smo．5Sr0．5C003(SSC)两种材料成为中温固体氧化物燃料电池阴极材料的研究热点。但是由于LSCF的热膨胀系数(800℃时为15．62×1-6．K。)明显高于SDC电解质材料的热膨胀系数(12．O×1-6．K以)，与SDC的热匹配性能较差，因此限制了其应用。本文采用凝胶浇注法制备了不同Ca掺杂量的复合掺杂阴极材料Lao．6Sro．4-xCaxCoo．2Feo．s03．8(LSCCF)以

4、降低LSCF材料的热膨胀系数。由于兼有离子和电子导电能力使阴极氧化还原反应区从二维阴极．电解质界面扩散到阴极体内，从而显著扩大了氧化还原反应面积，且电解质的加入使阴极和电解质之间具有良好的热匹配性，并有利于提高阴极和电解质层之间的界面结合，因此本文通过机械混合法，将不同含量的SDC粉体和LSCF混合，之后在1100℃下烧结3h，得到不同成分的LSCF．SDC复合阴极材料。论文重点对两种阴极的烧结性能、微观组织、电导率、热膨胀系数、与电解质之间界面阻抗等进行了测试分析。结果表明：Ca掺杂和SDC的加入均有利于阴极材料的烧结，使材料在较低温度下能够

5、获得多孔的微观结构，且孔隙分布均匀。同时，Ca掺杂和SDC复合都明显降低了LSCF材料的热膨胀系数，当Ca的掺杂量为O．2时，Lao．6Sro．2Cao．2Coo．2Feo．s03．6的热膨胀系数(TEC)为l3．05x10-6．K～；SDC含量为30％时，LSCF—SDC材料的TEC为14．95×10-6．K～。但Ca的加入降低了LSCF材料的电导率，当Ca的掺杂量为0．2时，LSCCF材料的电导率为593．8S·em～，低于同温度下LSCF的电导率(997．7S·cm。1)，而LSCF．SDC复合阴极材料的电导率随SDC含量变化不大，说明L

6、SCF．SDC复合材料比LSCCF作为IT-SOFC阴极材料有更好的应用前景。近年来，Smo．5Sr0．5C003(SSC)也成为另一种备受关注的阴极材料，但其热膨胀系数也较高，为提高其与SDC电解质的热匹配性能，本文采用凝胶浇注法制备了Fe掺杂SSC的阴极材料Smo．sSro．sC01．xFex03．6(SSCF)。1150℃下烧结的SSCF材料具有多孔结构，随烧结温度的增加，烧结体的相对密度增大，孔隙率减小。Fe的掺杂明显改变了SSCF材料的电导率和热膨胀系数，其电导率和热膨胀系数均随着Fe含量的增加而减小，Smo．5Sro．5Coo．2F

7、eo．8034材料在800℃时的热膨胀系数为16．4×10-6．K～，比SSC材料的TEC(21．4×lO一·K-1)明显降低。同时，随着Fe含量的增加，极化电阻增大；当Fe的含量达到0．4时，SSCF材料的极化电阻达到最大值，为0．42Q·clrl2；之后随着Fe含量的增加，极化电阻减小，在700～800℃时，SSCF表现出了良好的氧催化活性。关键词：中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)；氧化钐掺杂氧化铈；锶钙共掺杂钻铁酸镧材料；铁掺杂钴酸锶钐材料；LSCF．SDC复合阴极；凝胶浇注；热膨胀系数；极化电阻。DevelopmentofNov

8、elCathodeMaterialsforIntermediateTemperatureSolidOxideFuelCellsAbstractAsol