中溫固體氧化物燃料電池PrBaCoCuO5+δ-CuO復(fù)合陰極的制備與性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將儲存在燃料里的化學能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿墓虘B(tài)反應(yīng)裝置，是21世紀極具應(yīng)用前景的能源技術(shù)。傳統(tǒng)燃料電池工作溫度較高(～1000℃)，導(dǎo)致其運行成本高、材料兼容性差等一系列問題。將燃料電池的工作溫度降低到600～800℃中溫范圍內(nèi)，是SOFC的重要發(fā)展趨勢。SOFC工作溫度的降低提高了電池系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與不同材料間的兼容性，同時降低運行成本，但隨工作溫度的降低，電池性能變差，其中最主要的原因是陰極極化阻抗

2、隨工作溫度降低迅速增大。因此，尋找在中溫范圍內(nèi)仍然具有高電化學催化活性的SOFC陰極材料具有重要研究意義。
　　具有混合離子-電子電導(dǎo)率(MIEC)的LnBaCo2O5+δ（Ln=Lanthanide）系列雙層鈣鈦礦氧化物是新型中溫SOFC陰極材料，其中，PrBaCo2O5+δ(PBCO)氧化物具有合成工藝簡單、電化學催化活性高等優(yōu)點，得到人們的廣泛關(guān)注與研究。從目前研究現(xiàn)狀看，PBCO陰極材料在700℃以上高溫區(qū)具有很高的電化學

3、催化活性，但700℃以下低溫區(qū)阻抗過高，不能滿足SOFC對陰極阻抗的要求(ASR＜0.15Ω·cm2)，同時，PBCO的熱膨脹系數(shù)(TEC)過大，與常用電解質(zhì)材料存在熱失配問題，容易導(dǎo)致SOFC高溫運行過程中的結(jié)構(gòu)開裂。為了進一步提高PBCO的氧還原催化活性及其與電解質(zhì)材料的TEC匹配，人們采取不同的途徑對PBCO進行改性研究，包括A位（或B位）離子摻雜以及PBCO-GDC、PBCO-SDC等復(fù)合陰極的制備等。
　　為進一步優(yōu)化S

4、OFC陰極材料PBCO的綜合性能，本工作利用溶膠-凝膠(sol-gel)方法制備了PrBaCoCuO5+δ-CuO(PBCoCu-CuO)雙相復(fù)合陰極材料，并對它的結(jié)構(gòu)、性能進行了研究。利用X射線衍射(XRD)、熱膨脹分析儀分別對其相結(jié)構(gòu)和熱膨脹行為進行表征分析;采用直流四電極方法、交流阻抗譜技術(shù)和掃描電鏡(SEM)對其電學性能、電化學性能及電極的微觀形貌進行測試和分析，并對交流阻抗譜結(jié)果進行等效電路擬合，分析了PBCoCu-CuO雙相

5、復(fù)合陰極的電化學反應(yīng)機制，并與PBCO單相陰極的結(jié)果進行了對比討論。XRD結(jié)果表明，該復(fù)合材料由層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物PBCoCu主要相和少量CuO相構(gòu)成，與PBCO相比，PBCoCu-CuO晶格發(fā)生膨脹;PBCoCu-CuO的TEC與原始樣品PBCO相比下降約21％，有助于提高SOFC的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;PBCoCu-CuO電導(dǎo)率低于PBCO氧化物，但是滿足SOFC對陰極電導(dǎo)率要求(＞100S·cm-1);交流阻抗譜測量結(jié)果表明，PBCoCu

6、-CuO復(fù)合陰極的極化阻抗為0.10Ω·cm2(600℃)、0.042Ω·cm2(650℃)、0.019Ω·cm2(700℃)、0.010Ω·cm2(750℃),遠遠小于PBCO陰極極化阻抗，證明該復(fù)合陰極的氧還原催化活性顯著增強，是一種很有應(yīng)用前景的中溫SOFC陰極材料;電化學反應(yīng)機制分析結(jié)果表明:PBCoCu-CuO陰極反應(yīng)過程主要包括以下反應(yīng)子過程:高頻下氧離子體擴散過程、中頻下氧的表面吸附與解離過程以及低頻下空氣在陰極多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)