中溫固體氧化物燃料電池新型陰極材料的研制.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種新型的全固態(tài)能量轉換裝置。當前SOFC的研究熱點之一是將其運行溫度降低至500～800℃，即開發(fā)中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)。中溫化不僅可以降低SOFC的制造成本，還可以提高其電能轉換效率和開路電壓。而要實現SOFC的中溫化，不僅需要研制500～800℃下操作時穩(wěn)定的高電導電解質材料，還需要開發(fā)與之相適應的高性能電極材料。 Sm0.8Ce0.2O1.9(SDC)是良好的中溫固體氧

2、化物燃料電池電解質材料。由于原料粉體特性對電解質的性能有極其重要的影響，本文采用凝膠澆注(gelcasting)和甘氨酸-硝酸鹽法(GNP)分別制備出了SDC粉體，并對其粉體特性和燒結性能進行了分析對比。結果發(fā)現：兩種方法制備出的SDC粉體均具有納米級粒度，粉末粒度分別在50nm和70nm左右，顆粒細小、均勻，呈近球形。在700℃下煅燒，其晶粒尺寸分別為13.60nm和14.79nm。兩種方法制備的SDC粉體壓坯在1400℃下燒結，均能

3、獲得相對密度高于96％的致密燒結體。相比之下，GNP法由于燃燒瞬間溫度很高，所得粉體比表面積大，燒結活性高，易于燒結致密化，但難于收集。而凝膠澆注法工藝簡單，適于大量生產。 近年來，具有離子-電子混合導電特性的ABO3型鈣鈦礦氧化物作為固體氧化物燃料電池陰極材料受到廣泛關注。其中La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)和Sm0.5Sr0.5CoO3(SSC)兩種材料成為中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的研究熱點

4、。但是由于LSCF的熱膨脹系數(800℃時為15.62×10-6·K-1)明顯高于SDC電解質材料的熱膨脹系數(12.0×10-6·K-1)，與SDC的熱匹配性能較差，因此限制了其應用。本文采用凝膠澆注法制備了不同Ca摻雜量的復合摻雜陰極材料La0.6Sr0.4-xCaxCo0.2Fe0.8O3-δ(LSCCF)以降低LSCF材料的熱膨脹系數。由于兼有離子和電子導電能力使陰極氧化還原反應區(qū)從二維陰極-電解質界面擴散到陰極體內，從而顯著擴

5、大了氧化還原反應面積，且電解質的加入使陰極和電解質之間具有良好的熱匹配性，并有利于提高陰極和電解質層之間的界面結合，因此本文通過機械混合法，將不同含量的SDC粉體和LSCF混合，之后在1100℃下燒結3h，得到不同成分的LSCF-SDC復合陰極材料。論文重點對兩種陰極的燒結性能、微觀組織、電導率、熱膨脹系數、與電解質之間界面阻抗等進行了測試分析。結果表明：Ca摻雜和SDC的加入均有利于陰極材料的燒結，使材料在較低溫度下能夠獲得多孔的微觀

6、結構，且孔隙分布均勻。同時，Ca摻雜和SDC復合都明顯降低了LSCF材料的熱膨脹系數，當Ca的摻雜量為0.2時，La0.6Sr0.2Ca0.2Co0.2Fe0.8O3-δ的熱膨脹系數(TEC)為13.05×10-6·K-1； SDC含量為30％時，LSCF-SDC材料的TEC為14.95×10-6·K-1。但Ca的加入降低了LSCF材料的電導率，當Ca的摻雜量為0.2時，LSCCF材料的電導率為593.8 S·cm-1，低于同溫度下LS

7、CF的電導率(997.7 S·cm-1)，而LSCF-SDC復合陰極材料的電導率隨SDC含量變化不大，說明LSCF-SDC復合材料比LSCCF作為IT-SOFC陰極材料有更好的應用前景。 近年來，Sm0.5Sr0.5CoO3(SSC)也成為另一種備受關注的陰極材料，但其熱膨脹系數也較高，為提高其與SDC電解質的熱匹配性能，本文采用凝膠澆注法制備了Fe摻雜SSC的陰極材料Sm0.5Sr0.5Co1-xFexO3-δ(SSCF)。1

8、150℃下燒結的SSCF材料具有多孔結構，隨燒結溫度的增加，燒結體的相對密度增大，孔隙率減小。Fe的摻雜明顯改變了SSCF材料的電導率和熱膨脹系數，其電導率和熱膨脹系數均隨著Fe含量的增加而減小，Sm0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3-δ材料在800℃時的熱膨脹系數為16.4×10-6·K-1，比SSC材料的TEC(21.4×10-6·K-1)明顯降低。同時，隨著Fe含量的增加，極化電阻增大；當Fe的含量達到0.4時，SSCF材料