固体氧化物燃料电池的电极材料分析和单电池数值模拟

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1、摘要能源问题将是21世纪人类所面对的巨大挑战。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能直接将化学能转化为电能的能量转化装置，并且无噪音污染、能量转化率高。传统的YSZ电解质组成的固体氧化物燃料电池由于电解质材料在较低温度下的电阻较高。一般要工作在950～1000"C。降低SOFC的运行温度到600~800℃将在很多方面体现出优越性，如可以降低电池其它组件材料的费用、降低材料的失效问题等，成为了SOFC发展的必然趋势。因此研究和开发中温固体氧化物燃料电池(n二sOFc)的电极材料对SOFC的发展至关重要。Ceo96d010195(GDC)是中温SOF

2、C的有前景的电解质材料，而Ni-Ce08Sm020l9(Ni—SDC)材料是适合中温SOFC的理想阳极材料。本文采用柠檬酸．硝酸盐溶胶．凝胶低温自蔓延燃烧法制备了氧化镍(NiO)粉末、CeoBSine20l9(SDC)粉末、NiO-Ceo8Sm020l9(质量比NiO：SDC=I)和C0304-NiO-CeosSm02019(质量比C0304：NiO：SDC=i：l：2)粉末，采用XRD检测了粉体的成相情况。将NiO与SDC按不同质量比和不同制备工艺制备了固体氧化物燃料电池的阳极前身。NiO．SDC粉末和c030I-NiO．SDC粉末也分别制成阳

3、极前身。再用自组装的还原装置将其在820"C条件下经2．5h还原后，采用四端予法测量其电导率值．分析了阳极片电导率与阳极片微结构、Ni的质量百分数、混合研磨时间、原始粉末制备工艺及烧结温度之间的关系。结果显示，阳极片的电导率强烈依赖于镍含量和原始粉末的制备工艺。由于上面制备的阳极片的电导率不是很高，而电导率的大小主要与其中的NiO材料的性质密切相关，所以本文研究了不同NiO制备工艺对Ni．SDC阳极的电性能的影响。制备了两种、购买了一种共三种具有不同微结构、不同粒径的NiO粉末，将这三种NiO粉末与SDC粉末以1：1的质量比按上述方法制备成Ni-

4、SDC阳极，分析了阳极片的电导率与阳极片微结构之间的关系。结果显示，阳极片的电导率与阳极片的微结构、NiO粉末的微结构、NiO粒子的粒径密切相关，而这些因素直接受NiO粉末的制备工艺影响。由NiC03．2Ni(OH)2．4H20分解得到的NiO粉制备的阳极片具有最高的电导率值。掺杂LaC003材料在较低温度下具有较高的离子和电子导电性，具有较大的发展前景。本文采用固相反应法和柠檬酸-硝酸盐溶胶一凝胶低温自蔓延燃烧法(简称柠檬酸法)合成了LaosSrosC00291(LSC)和Lae7Sr03Coo3Fee703(LSCF)复合氧化物。借助XRD和

5、SEM对不同制备方法合成的粉体的晶体结构和晶粒形貌进行了研究。实验结果表明：固相反应法可制得均一钙钛矿结构的LSC氧化物，柠檬酸法除制得LSC氧化物外，还有LaSrC004相的生成。两种方法均能合成出结晶较好的LSCF粉体。柠檬酸一硝酸盐溶胶一凝胶低温自蔓延燃烧法合成粉体的粒度相对较小。为研究以GDC为电解质的固体氧化物燃料电池阴极材料的性能，分别将LSC粉体和LSCF粉体与GDC粉体按6：4的质量比制备了固体氧化物燃料电池的阴极片．在空气气氛下使用直流四探针法研究了烧结样品的电导率，发现由柠檬酸法得到粉体制备的阴极片的电导率值较高。将制备的样品

6、置于马弗炉中800"C条件下烧结800h。比较失效前后电导率的变化情况，并借助XRD、SEM等测试手段分析样品电导率变化的原i浙江丈学博七学位论文因。分析发现，失效之后所有样品的电导率值都有所降低，且两种LSC样品中有新相的生成，晶体形貌有比较大的变化。以上制备的两种阴极材料都有一定的不足之处，为寻找适合GDC电解质的性能更为优良的阴极材料，本文采用固相反应法合成了中温固体氧化物燃料电池新型复合掺杂阴极La06SrI-xcaxc01一ip3{(LSCCN)钙钛矿材料。借助XRD等手段对不同掺杂含量所制备的粉体的成相过程和晶体结构进行了研究。实验结

7、果表明：当x=0．4时，ca2+已经不能很好的掺入到LaC003晶格中去。Ni元素含量较小的情况下，不会影响材料的晶体结构，不过当Ni含量稍有增高，制备的粉体的结构发生了明显的变化，已不再具有钙钛矿型的晶体结构，出现了较强的四方K2NiF4结构的LaSrC004衍射峰。将LSCCN粉体制备成固体氧化物燃料电池的阴极片，在空气气氛下使用直流四探针法测量了样品的电导率值，发现LSCCN系列材料中保持了钙钛矿结构的阴极片具有很高的电导率，其中cd+和sP掺杂各半的情况下的电导率值最高。掺入较多的ca2+或较多的m2+不仅影响了材料的单一的晶体结构，并且

8、大大降低了材料的电导率。为研究电极材料对电池性能的影响和燃料电池的运行机理，本文发展了一个用于固体氧化物燃料电池的三维的综合的数学模型，