中温阴极材料的合成及SOFC性能研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将化学能通过电极反应直接转化为电能的连续发电装置，传统的SOFC需要在高温下（800℃1000℃）工作。但在高温下长时间工作容易引起电池性能的衰减，同时高温下工作使得材料的制备工艺复杂，成本过高，给真正的商业化带来一定困难。降低SOFC操作温度是当前的研究趋势。同时，温度降到800℃以下，传统阴极材料La1-x（Sr,Ca）xMnO3电极活性急剧降低已不适于在中温固体氧化物燃料电池（ITSOFC, Intermediate temperature solid oxide fuel cell）上应用。柠檬酸盐法不仅可以实现反应物质在分子水平上均匀混合，而且热处理温度低，产物粒径小，分布较窄，是合成无机粉体的一种重要方法。所以，本文采用柠檬酸盐法制备ITSOFC阴极材料La0.7Sr0.15Ca0.15Co1-xFexO3-δ（x＝0.2、0.4、0.6、0.8），研究了Fe单掺杂对La0.7Sr0.15Ca0.15Co1-xFexO3-δ阴极材料结构、性能的影响，并以其为阴极，以锂、铜掺杂的氧化镍（LCN）和电解质（质量比4∶1）的混合物为阳极， La0.7Sr0.15Ca0.15Co1-xFexO3-δ和复合电解质[Ce0.8Sm0.2O2-δ（SDC）和M2CO3（M=Na、Li）]（质量比1∶1）的混合物为阴极，模压法制备了单电池，在氢气/空气气氛中研究了La0.7Sr0.15Ca0.15Co1-xFexO3-δ阴极材料性能对电池性能的影响，确定最优的阴极材料配比。结果表明，Fe掺杂量对开路电压的高低不起决定性作用，开路电压的高低主要由模具与电极间的密封性、气体流速、电解质的致密性及温度决定；最高功率密度随Fe掺杂量增加而降低，在650℃时最高功率密度由x=0.2时的351.7mW/cm2降为x=0.8时的231.1mW/cm2。为了研究最优配比阴极La0.7Sr0.15Ca0.15Co0.8Fe0.2O3-δ的适应性，模压法分别基于柠檬酸盐法制备的钐掺杂氧化铈电解质（SDC）和SDC与碳酸盐组成的复合电解质（CSC）组装ITSOFC，在氢气/空气气氛中对两种电池的性能进行对比研究，研究SDC和CSC对电池性能的影响。结果表明：碳酸盐掺杂SDC降低了电池的开路电压；但随温度从500℃升高到650℃，基于CSC的电池的开路电压UCSC和基于SDC的电池的开路电压USDC的差距由0.219V缩减到0.007V；在650℃时，基于CSC的电池的最高功率密度PCSC高出基于SDC的电池的最高功率密度PSDC253.1mW/cm2。为了实现ITSOFC循环应用，不仅要具有良好的一次输出性能还要有良好的电池稳定性。为此还对模压法基于CSC的单电池在氢气/空气气氛下，升降温循环过程中ITSOFC性能的衰减行为进行了研究。结果表明：随着温度的升高，开路电压和最高功率密度随升降温循环次数增加而衰减的幅度减小并渐趋平缓。第三次升降温循环测试较第一次测试时，开路电压的衰减幅度由450℃时的40.60%变为650℃时的3.68%，最高功率密度的衰减幅度由450℃时的72.44%变为650℃时的11.7%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 燃料电池的分类和特点
• 2.1.1 燃料电池的分类
• 2.1.2 SOFC 的特点
• 2.2 固体氧化物燃料电池的工作原理、电化学基础及结构模式
• 2.2.1 SOFC 的工作原理
• 2.2.2 SOFC 的电化学基础
• 2.2.3 SOFC 的极化损失
• 2.2.3.1 SOFC 的活化极化损失
• 2.2.3.2 SOFC 的欧姆极化损失
• 2.2.3.3 SOFC 的浓差极化损失
• 2.2.4 SOFC 的输出功率
• 2.2.5 SOFC 的结构模式
• 2.3 中温固体氧化物燃料电池（ITSOFC）
• 2.3.1 阳极材料
• 2.3.2 电解质材料
• 2.3.3 阴极材料
• 2.4 本论文的特点
• 第三章 实验原理及方法
• 3型钙钛矿阴极材料的晶体结构和电导机理'>3.1 掺杂 ABO₃型钙钛矿阴极材料的晶体结构和电导机理
• 2基电解质的晶体结构和电导机理'>3.2 掺杂 CeO₂基电解质的晶体结构和电导机理
• 3.3 实验原料和设备
• 3.3.1 实验原料
• 3.3.2 实验仪器
• 3.4 阴极及电解质中的离子半径
• 3.5 阴极材料的制备
• 3.6 电解质的制备
• 3.7 合成产物的表征
• 3.7.1 XRD 分析
• 3.7.2 SEM 分析
• 3.7.3 粉体粒度测试
• 3.7.4 晶粒尺寸的计算
• 3.8 单电池制备及性能测试
• 第四章 结果与讨论
• 4.1 阴极材料性能对电池性能的影响
• 0.7Sr_0.15Ca_0.15Co_1-xFe_xO₃-δ阴极材料掺杂分析'>4.1.1 La_0.7Sr_0.15Ca_0.15Co_1-xFe_xO₃-δ阴极材料掺杂分析
• 0.7Sr_0.15Ca_0.15Co_1-xFe_xO₃-δ的物相和微结构分析'>4.1.2 La_0.7Sr_0.15Ca_0.15Co_1-xFe_xO₃-δ的物相和微结构分析
• 4.1.3 氢气/空气电池性能表征
• 4.1.3.1 开路电压比较分析
• 4.1.3.2 最高功率密度分析
• 4.2 碳酸盐掺杂 SDC 对电池性能的影响
• 4.2.1 电解质粉体的物相和微结构分析
• 4.2.2 氢气/空气电池性能表征
• 4.2.2.1 开路电压比较分析
• 4.2.2.2 最高功率密度分析
• 4.2.2.3 电解质电导率分析
• 4.3 pH 值对 SDC 及电池性能的影响
• 4.3.1 SDC 电解质粉体的物相和微结构分析
• 4.3.2 SDC 电解质粉体的粒度分析
• 4.3.3 氢气/空气 SOFC 性能表征
• 4.3.3.1 开路电压比较分析
• 4.3.3.2 最高功率密度分析
• 4.3.3.3 电解质电导率分析
• 4.4 基于 CSC 复合电解质的电池性能衰减行为研究
• 4.4.1 CSC 复合电解质粉体的物相和微结构分析
• 4.4.2 氢气/空气 SOFC 性能表征
• 4.4.2.1 开路电压比较分析
• 4.4.2.2 最高功率密度分析
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读硕士期间公开发表的论文