固體氧化物燃料電池共摻雜CeO2電解質(zhì)和摻雜SrTiO3陽極的研制.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)因具有能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料選擇范圍廣、結構簡單等優(yōu)點而受到越來越多的關注。實現(xiàn)SOFC的商業(yè)化發(fā)展，關鍵是降低其操作溫度和制造成本。傳統(tǒng)的SOFC因電解質(zhì)、電極材料的限制，需要在較高的溫度下（800℃以上）才具有一定的輸出功率。因此，研發(fā)在中低溫條件下具有較好性能的電池材料是當前SOFC研究的熱點之一。
　　摻雜CeO2基(DCO)電解質(zhì)在中低溫范圍內(nèi)的電導率比傳統(tǒng)電解質(zhì)YSZ高出一個數(shù)量級以上，是當

2、今中溫SOFC電解質(zhì)材料開發(fā)的熱點之一，但DCO電解質(zhì)在較高溫度下于還原氣氛中Ce4+易被還原成Ce3+而產(chǎn)生電子電導，使電池的開路電壓降低。提高DCO電解質(zhì)在中低溫范圍內(nèi)的電導率及在還原氣氛中的穩(wěn)定性能可效促進其在SOFC中的應用?；诠矒诫s能進一步改善DCO電解質(zhì)性能，以及Sc2O3在摻雜ZrO2電解質(zhì)時表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，本文嘗試通過Sm2O3和Sc2O3共摻雜CeO2，以制備高性能中低溫SOFC電解質(zhì)材料。論文以溶液凝膠澆注法合成

3、出Ce0.8Sm0.2-xScxO2-δ(CSSO)電解質(zhì)粉體，進而制備出燒結體，并對粉末和燒結體樣品的組織性能進行測試分析。實驗結果表明:溶液凝膠澆注法合成的CSSO粉體具有單一的螢石結構;所得粉體的結構穩(wěn)定且燒結活性較好，1500℃燒結的CSSO燒結體試樣的致密度可達97％以上;CSSO燒結體的電導率隨著Sc含量的增加先增加后降低，當Sc含量為5mol％時，燒結體的電導率最高，在空氣中600℃時可達1.92×10-2S·cm-1;同

4、時，適量Sc的引入可以提高CSSO燒結體在還原氣氛中的穩(wěn)定性。
　　陽極材料的性能對SOFC的性能也有明顯的影響，開發(fā)出在運行溫度下具有良好電化學活性與穩(wěn)定性的陽極材料也是提高電池性能的關鍵之一。傳統(tǒng)的金屬陶瓷陽極雖然具有良好的電化學活性，但其在工作條件的長期穩(wěn)定性較差，在應用碳氫化合物為燃料時，還會產(chǎn)生積碳，鈣鈦礦結構材料因其獨特性能，近年來作為SOFC陽極受到重視，其中摻雜SrTiO3陽極具有良好的應用潛力。本文通過凝膠澆注法

5、制備出了Sm0.04Sr0.94Ti1-xScxO3-δ陽極粉體，進而制備出陽極燒結體和對稱單電池試樣，并對材料和電池的性能進行了測試分析。結果表明:在Sm0.04Sr0.94TiO3陽極Ti的位置引入Sc能有效改善其性能，引入少量Sc時，Sm0.04Sr0.94Ti1-xScxO3-δ粉體的燒結活性提高，所得陽極燒結體的總電導率隨著Sc含量的增加而降低，但是陽極的極化電阻隨著Sc含量的增加而降低，在700℃當x=0，0.02，0.04

6、，0.06時，Sm0.04Sr0.94Ti1-xScxO3-δ陽極的電導率分別為41.84S·cm-1，39.27S·cm-1，32.01S·cm-1，19.18S·cm-1。在850℃當x=0，0.02，0.04，0.06時在5％H2/Ar混合氣氛中的極化電阻分別為極化電阻分別是4.87Ω·cm2，4.12Ω·cm2，3.24Ω·cm2和2.82Ω·cm2。
　　為了進一步考察本文所制各的Ce0.8Sm0.2-xScxO2-δ(

7、SSDC5)電解質(zhì)和Sm0.04Sr0.94Ti1-xScxO3-δ(SSTS x=0，0.02，0.04)陽極材料的性能，制備了Ni-SSDC5/SSDC5/BSCF-S SDC5、 Ni-SDC/SDC/BSCF-SDC單電池和SSTS-SSDC5/SSDC5/BSCF-SSDC5單電池，測試了其相關性能。實驗結果表明:在SDC電解質(zhì)中摻雜少量的Sc能有效提高電池的開路電壓和輸出功率。同時，Sc的引入能適當提高SSTS-SSDC5/