层状钙钛矿钴氧化物的制备及其作为燃料电池阴极材料的研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（简称SOFC）被称为第四代燃料电池,是目前国际公认具有发电效率高,能量密度大;燃料使用面广,余热利用价值高的燃料电池。但是,SOFC在高温下（800—1000℃）运行会带来一系列的问题,如电池封接困难、寿命短、造价高等,极大的限制了SOFC的推广和使用。因此,研究工作温度为500—800℃中温固体氧化物燃料电池（ITSOFC）变成为了发展的必然趋势。阴极材料是ITSOFC的重要组成部分,随着使用温度的降低,将导致传统阴极材料的极化电阻增大、电导率降低等一系列问题,电池的性能也会大大降低。因此,寻找新的能在中温（500—800℃）条件下工作的阴极材料对于发展SOFC中温化尤为重要。本论文采用溶胶—凝胶法合成制备了具有层状钙钛矿结构的ITSOFC阴极材料YBa1-xCaxCo2O5+δ（x=0～0.3）,系统地研究了样品体系的晶体结构、热膨胀性能和电输运性能,Ca2+的Ba位掺杂对晶体结构、电输运性能和热膨胀性能的影响,还考察了阴极材料与电解质材料的高温粘附性和它的催化活性。研究发现,所制样品体系在1100℃高温烧结后具有3×1×1型层状钙钛矿结构,属四方晶型,空间群为P4/mmm。Ca2+的Ba位掺杂明显地改变YBa1-xCaxCo2O5+δ的热膨胀性能,随着X的增大,掺杂样品在200℃—800℃内的热膨胀系数逐渐减小,其中YBa0.7Ca0.3Co2O5+δ与电解质材料8YSZ的热膨胀系数较为接近,说明它与电解质材料8YSZ有良好的匹配性;YBa1-xCaxCx2O5+δ（x=0～0.3）体系在高温下具有较高的导电率,YBa0.7Ca0.3Co2O5+δ在800℃时的导电率较高约为41.33Scm-1;掺杂样品在中低温下（室温—450℃）的Ln（σT）与1/T近似呈直线关系,其电输运机制符合半导体小极化子模型。另外YBa0.7Ca0.3Co2O5+δ与8YSZ电解质间的高温粘附性能较好,在820℃左右时,阴极材料与电解质之间的界面电阻很小约为4.86Ω·cm2,说明该阴极材料具有较高的催化活性,有利于ITSOFC的正常工作。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池的基本介绍
• 1.2.1 燃料电池的工作原理
• 1.2.2 燃料电池的种类
• 1.2.3 燃料电池的特点
• 1.2.3.1 发电效率高
• 1.2.3.2 发电环境友好
• 1.2.3.3 动态响应性好、供电稳定
• 1.2.3.4 应答速度快,运行质量高
• 1.2.3.5 方便耐用、用途多
• 1.2.3.6 燃料来源广泛
• 1.2.4 燃料电池的历史及研究现状
• 1.3 固体氧化物燃料电池（SOFC）
• 1.3.1 SOFC的工作原理
• 1.3.2 SOFC的特点
• 1.3.3 SOFC的关键材料
• 1.3.3.1 电解质材料
• 1.3.3.2 阳极材料
• 1.3.3.3 连接材料
• 1.3.3.4 阴极材料
• 1.3.4 SOFC阴极材料的反应步骤及机理
• 1.3.5 SOFC阴极材料的研究进展
• 1.3.5.1 电子导电阴极
• 1.3.5.2 离子-电子混合导电（MIEC）阴极
• 1.3.6 SOFC的研究开发
• 1.3.6.1 SOFC的结构类型
• 1.3.6.2 SOFC的国内外研究概况
• 1.3.6.3 SOFC的中温化
• 1.3.7 本文的研究背景、技术路线及特点
• 1.3.7.1 研究背景
• 1.3.7.2 技术路线及特点
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验仪器及设备
• 2.2 实验原料
• 2.3 样品制备方法及制备过程
• 2.3.1 溶胶—凝胶法简介
• 1-xCa_xCo₂O_5+δ的制备过程'>2.3.2 样品YBa_1-xCa_xCo₂O_5+δ的制备过程
• 2.4 样品的性能表征
• 2.4.1 X—射线粉末衍射（XRD）分析
• 2.4.2 电输运性能测试
• 2.4.3 热膨胀性能测试
• 2.4.4 电极的显微结构分析（SEM）
• 2.4.5 交流复阻抗以及交流阻抗谱的测试原理
• 2O_5+δ的性能研究'>第三章 阴极材料YBaCo₂O_5+δ的性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 X—射线粉末衍射（XRD）分析
• 3.3 电输运性能测试
• 3.3.1 电导率测量结果
• 3.3.2 小极化子模型
• 3.3.3 电导活化能
• 3.4 热膨胀性能测试
• 3.5 本章小结
• 2O_5+δ性能的研究'>第四章 Ba位掺杂对YBaCo₂O_5+δ性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 X—射线粉末衍射（XRD）分析
• 4.3 热膨胀性能测试
• 4.4 电输运性能测试
• 4.5 本章结论
• 0.7Ca_0.3Co₂O_5+δ作为阴极材料的性能研究'>第五章 YBa_0.7Ca_0.3Co₂O_5+δ作为阴极材料的性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 阴极-电解质双层结构的样品制备
• 5.3 复合阴极层的显微结构分析
• 5.4 界面电阻测量
• 5.4.1 界面电阻与催化活性
• 5.4.2 界面电阻的测量
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录