新型IT-SOFC復(fù)合陰極材料的制備及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池因具有高效、低污染等優(yōu)點(diǎn)引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，陰極材料是固體氧化物燃料電池中極其重要的組成部分。本文采用鈣鈦礦氧化物GdxSr1-xCoO3-δ（x=0.9～0.5）作為陰極材料，將其與電解質(zhì)Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）和CO3O4組成GSC-SDC和GSC-SDC-Co3O4一系列復(fù)合陰極，并對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行了研究。
　　 采用甘氨酸-硝酸鹽燃燒（CNP）法合成了GdxSr1-xCoO3-δ（

2、x=0.9～0.5）以及SDC，XRD圖譜表明GdxSr1-xCoO3-δ（x=0.9～0.5）在900℃燒結(jié)4h后已經(jīng)形成立方鈣鈦礦相，而SDC在700℃焙燒4h后形成立方螢石相。采用直流四電極法對(duì)GdxSr1-xCoO3-δ（x=0.9～0.5）和SDC燒結(jié)體的電導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)量，GdxSr1-xCoO3-δ（x=0.9～0.5）的電子傳導(dǎo)符合小極化子導(dǎo)電機(jī)理，其中Gd0.8Sr0.2CoO3-δ（GSC）在中高溫區(qū)間擁有最高的電導(dǎo)率

3、，850。c時(shí)電導(dǎo)率達(dá)到了373S-cm-1；而SDC在測(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)的電導(dǎo)活化能為0.62eV，在750℃的電導(dǎo)率為0.0742S·cm-1。
　　 將GSC與SDC以不同的質(zhì)量比混合制備成復(fù)合陰極，通過(guò)GSC-SDC生坯的燒結(jié)曲線(xiàn)得出1100℃是復(fù)合陰極的最佳燒結(jié)溫度，從燒結(jié)體的SEM圖可以看出GSC和SDC晶粒都得到了良好的生長(zhǎng)，平均顆粒大小為10μm，并且顯示出了多孔結(jié)構(gòu)。在30-1000℃溫度范圍內(nèi)，GSC與SDC的熱

4、膨脹系數(shù)分別為23.1×10-6K-1和11.2×10-6K-1，而在GSC中分別加入20％和50％質(zhì)量比的SDC后，復(fù)合陰極的熱膨脹系數(shù)分別降為19.5×10-6K-1和13.4x10-6K-1，改善了陰極與電解質(zhì)熱膨脹系數(shù)不匹配的問(wèn)題。以GSC-SDC為陰極，SDC為電解質(zhì)制備了半電池，半電池的交流阻抗譜表明隨著SDC在陰極中質(zhì)量比的提高，阻抗譜中低頻半圓逐漸變小，高頻的半圓逐漸占據(jù)著主要地位，意味著此時(shí)的電極控制步驟為氧離子由電極

5、向電解質(zhì)傳輸?shù)倪^(guò)程，GS64半電池具有最小的極化電阻，其在750℃時(shí)的極化電阻為0.289Ω·cm2。隨著測(cè)試溫度的降低，極化電阻也逐漸增加，此時(shí)低頻弧占據(jù)著主導(dǎo)地位，主要的速率控制步驟與氧擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)。
　　 本文設(shè)計(jì)了NiO-SDC｜SDC｜GSC-SDC和NiO-SDC｜SDC｜GSC-SDC-Co3O4兩種不同陰極的單電池。以H2為燃料，測(cè)試了單電池在600～750℃下的電性能和開(kāi)路條件下的阻抗。結(jié)果表明：在以GSC-S

6、DC為陰極的單電池中，隨著陰極中SDC的含量的增大，單電池的電性能也隨之提高，當(dāng)GSC與SDC的質(zhì)量比為6:4時(shí)，此時(shí)單電池性能達(dá)到了最優(yōu)，750℃時(shí)的最高功率密度為330mW/cm2，極化電阻為0.195Ω·cm2；在以GSC-SDC-Co3O4為陰極的單電池中，GSC和SDC的質(zhì)量比固定為6:4，而隨著陰極中Co2O4含量的增大，單電池的電性能又能得到進(jìn)一步的提高，在所測(cè)樣品中，當(dāng)陰極組成是GSC-SDC和Co3O4的質(zhì)量比為7:3