新型itsofc復合陰極材料的制備及性能研究

1、PreparationandcharacterizationofthenewcompositecathodematerialsforITSOFCADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBY腸LiweiSupervisedbyProfSunYuemingSchoolofChemistryandChemicalEn

2、gineeringSoutheastUniversityApril2010Abstract摘要固體氧化物燃料電池岡具有高效、低污染等優(yōu)點引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關注，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GdxSrl_xC0035(x=o9加5)作為陰極材料，將其與電解質(zhì)Ce08Smo2019(SDC)和C0304組成GSCSDC和GSCSDCC0304一系列復合陰極，并對其相關性能進行了研究。采用甘氨酸硝

3、酸鹽燃燒(ONP)法合成了GdxSrlxC003x=o9~o5)以及SDC，XRD圖譜表明GdxSrlxC003x=09~o5)在900℃燒結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。采用寅流四電極法對GdxSrl。C003x=09~o5)和SDC燒結體的電導率進行了測量，GdxSrlxC003x=o9加5)的電子傳導符合小極化子導電機理，其中Gdo8Sro2C003_s(：osc)在中高溫區(qū)間擁有最高的電

4、導率，850。C時電導率達到了373Scm一；而SDC在測試溫度區(qū)間內(nèi)的電導活化能為0。62eV，在750℃的電導率為00742Scm1。將GSC與SDC以不同的質(zhì)量比混合制備成復合陰極，通過GSCSDC生坯的燒結曲線得出1100℃是復合陰極的最佳燒結溫度，從燒結體的SEM圖可以看出GSC和SDC晶粒都得到了良好的生長，平均顆粒大小為lOllm，并且顯示出了多孔結構。在301000℃溫度范圍內(nèi)，GSC與SDC的熱膨脹系數(shù)分別為23110

5、6K1和11210乍一，而在GSC中分別加入20％和50％質(zhì)量比的SDC后，復合陰極的熱膨脹系數(shù)分別降為195X1曠K1和134XlO’6K1，改善了陰極與電解質(zhì)熱膨脹系數(shù)不匹配的問題。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，意味著此時的電極控制步驟為氧離子由電極向電解質(zhì)傳輸?shù)倪^程，GS64半電池具有最小的極化電阻，

6、其在750℃時的極化電阻為0289Qcm2。隨著測試溫度的降低，極化電阻也逐漸增加，此時低頻弧占據(jù)著主導地位，主要的速率控制步驟與氧擴散過程有關。本文設計了NiOSDCISDCIGSCSDC和NiOSDClSDClGSC—SDCC0304兩種不同陰極的單電池。以H2為燃料，測試了單電池在600～750℃下的電性能和開路條件下的阻抗。結果表明：在以GSCSDC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GS

7、C與SDC的質(zhì)量比為6：4時，此時單電池性能達到了最優(yōu)，750℃時的最高功率密度為330mW／cm2，極化電阻為0195Qcmz；在以GSCSDCC0304為陰極的單電池中，GSC和SDC的質(zhì)量比同定為6：4，而隨著陰極中C0304含量的增大，單電池的電性能又能得到進一步的提高，在所測樣品中，當陰極組成是GSCSDC和C0304的質(zhì)量比為7：3時，電池電性能的達到最優(yōu)，其在750℃時的最大功率密度為518mW／cm2，極化阻抗為0096