類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池 (SOFC) 是一種具有高效、環(huán)境友好等優(yōu)點的發(fā)電裝置。作為SOFC重要組成部分的陰極材料一直是人們研究的重點。傳統(tǒng)的SOFC陰極材料多為鈣鈦礦結(jié)構(gòu) ABO<,3>型氧化物，如La<,1-x>S<,x>MnO<,3> (LSM)等，這類材料在1000℃時極化電阻僅為幾歐姆，但隨著工作溫度的降低，其極化電阻猛增到幾千歐姆。為此，尋求新的能在中溫條件下使用的陰極材料成為中溫燃料電池研發(fā)的重要任務(wù)。 類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)

2、A<,2>BO<,4> 型氧化物是一類同時具有電子導(dǎo)電和離子導(dǎo)電的混合導(dǎo)體，這類材料在氧透過性、熱化學(xué)性能、電化學(xué)性能以及氧的擴(kuò)散和表面交換能力等方面顯示了明顯的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的ABO<,3>型SOFC陰極材料相比較，A<,2>BO<,4> 型氧化物的熱膨脹系數(shù)數(shù)值較小，并且與傳統(tǒng)的固體電解質(zhì)釔穩(wěn)氧化鋯 (YSZ)和Ce<,0.9>Gd<,0.1>O<,1.9>(CGO)有很好的熱匹配性。此外，這類材料在中溫區(qū)間具有較高的電導(dǎo)率，這對陰極

3、材料來講是極為有利的。以上這些都充分說明了 A<,2>BO<,4>型復(fù)合氧化物是一種潛在的中溫固體氧化物陰極材料。有關(guān)未摻雜或 B 位摻雜的 A<,2>BO<,4>型復(fù)合氧化物電化學(xué)性能已經(jīng)有了一些報道，但對于 A 位摻雜的 A<,2>BO<,4> 型復(fù)合氧化物電化學(xué)性能研究鮮有報導(dǎo)。 本論文采用甘氨酸-硝酸鹽法制備了 A 位 Sr 摻雜的 A<,2>BO<,4> 型中溫固體氧化物燃料電池陰極材料Ln<,2-x>Sr<,x>MO

4、<,4> (Ln=La，Nd，Sm；M=Ni，Cu)。考察了電極材料與電解質(zhì)材料在高溫時的化學(xué)相容性；研究了燒結(jié)溫度對電極的微觀形貌及電化學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，燒結(jié)溫度過高或過低都會導(dǎo)致電極極化面電阻的增加，當(dāng)電極的燒結(jié)溫度適中時，電極表面粒子有一定的燒結(jié)連接，并且有一定的多孔結(jié)構(gòu)，電極的極化面電阻達(dá)到最小值。為了考察電極反應(yīng)動力學(xué)，研究了電極的極化面電阻隨測試溫度和氧分壓的變化情況，來確定電極上的速率反應(yīng)步驟。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電極反應(yīng)的速

5、率控制步驟主要有電荷的遷移過程、氧的解離和吸附過程以及氧離子從三相界面向電解質(zhì)的轉(zhuǎn)移過程，在不同的溫度與氧分壓下電極可能有著不同的速率控制步驟。其中，Sr 摻雜的 La<,2>CuO<,4>電極具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性以及較高的電催化活性，與電解質(zhì)CGO在1000℃燒結(jié)144小時后，經(jīng)XRD檢測發(fā)現(xiàn)二者沒有發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，與電解質(zhì)有很好的化學(xué)相容性。La<,1.7>Sr<,0.3>CUO<,4> 電極在700℃時的極化面電阻為0.16 Ω

6、.cm<'2>，這一數(shù)值與傳統(tǒng)的鈣鈦礦型ABO<,3>氧化物陰極材料La<,1-x>Sr<,x>Co<,y>Fe<,1-y>O<,3>(LSCF)．十分接近。 另外，本文還通過制備La<,1.6>Sr<,0.4>NiO<,4>-CGO及 La<,1.6>Sr<,0.4>NiO<,4>-Ag 復(fù)合陰極，來優(yōu)化電極的制備工藝，系統(tǒng)研究了考察CGO及Ag的摻雜量對電極電化學(xué)性能的影響，選擇最優(yōu)摻雜量來制備出高性能的SOFC復(fù)合陰極。結(jié)

7、果表明，氧離子導(dǎo)體CGO的加入，使得電極的極化面電阻顯著降低，當(dāng)CGO 摻雜量為 40 wt.％時，復(fù)合陰極的測試極化面電阻值最小，當(dāng)測試溫度為700℃時，其極化面電阻為0.76 Ωcm<'2>，這一數(shù)值為純La<,1.6>Sr<,0.4>NiO<,4>陰極極化面電阻的四分之一；La<,1.6>Sr<,0.4>NiO<,4>-Ag 復(fù)合陰極同樣表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，當(dāng) Ag 摻雜量為 7 wt.％時，復(fù)合陰極顯示出最佳的電催化活性，7

8、00℃時，其極化面電阻為0.26Ω.cm<'2>，這一數(shù)值約為純La<,1.6>Sr<,0.4>NiO<,4>陰極極化面電阻的十分之一。另外，Ag 的加入也改善了電極的陰極極化現(xiàn)象，在相同的電流密度下，電極的極化電位顯著下降，在700℃測試溫度下，當(dāng)陰極過電位為 32 mV時，電流密度達(dá)144 mA.cm<'-2>。 總之，本文以尋找一種新型的固體氧化物燃料電池陰極材料為出發(fā)點，進(jìn)行了材料的合成和相關(guān)的測試研究，并最終用于中溫