固體氧化物燃料電池共摻雜CeO2電解質(zhì)和摻雜SrTiO3陽極的研制.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)因具有能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料選擇范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注。實(shí)現(xiàn)SOFC的商業(yè)化發(fā)展，關(guān)鍵是降低其操作溫度和制造成本。傳統(tǒng)的SOFC因電解質(zhì)、電極材料的限制，需要在較高的溫度下（800℃以上）才具有一定的輸出功率。因此，研發(fā)在中低溫條件下具有較好性能的電池材料是當(dāng)前SOFC研究的熱點(diǎn)之一。
　　摻雜CeO2基(DCO)電解質(zhì)在中低溫范圍內(nèi)的電導(dǎo)率比傳統(tǒng)電解質(zhì)YSZ高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，是當(dāng)

2、今中溫SOFC電解質(zhì)材料開發(fā)的熱點(diǎn)之一，但DCO電解質(zhì)在較高溫度下于還原氣氛中Ce4+易被還原成Ce3+而產(chǎn)生電子電導(dǎo)，使電池的開路電壓降低。提高DCO電解質(zhì)在中低溫范圍內(nèi)的電導(dǎo)率及在還原氣氛中的穩(wěn)定性能可效促進(jìn)其在SOFC中的應(yīng)用?；诠矒诫s能進(jìn)一步改善DCO電解質(zhì)性能，以及Sc2O3在摻雜ZrO2電解質(zhì)時(shí)表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，本文嘗試通過Sm2O3和Sc2O3共摻雜CeO2，以制備高性能中低溫SOFC電解質(zhì)材料。論文以溶液凝膠澆注法合成

3、出Ce0.8Sm0.2-xScxO2-δ(CSSO)電解質(zhì)粉體，進(jìn)而制備出燒結(jié)體，并對(duì)粉末和燒結(jié)體樣品的組織性能進(jìn)行測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:溶液凝膠澆注法合成的CSSO粉體具有單一的螢石結(jié)構(gòu);所得粉體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且燒結(jié)活性較好，1500℃燒結(jié)的CSSO燒結(jié)體試樣的致密度可達(dá)97％以上;CSSO燒結(jié)體的電導(dǎo)率隨著Sc含量的增加先增加后降低，當(dāng)Sc含量為5mol％時(shí)，燒結(jié)體的電導(dǎo)率最高，在空氣中600℃時(shí)可達(dá)1.92×10-2S·cm-1;同

4、時(shí)，適量Sc的引入可以提高CSSO燒結(jié)體在還原氣氛中的穩(wěn)定性。
　　陽極材料的性能對(duì)SOFC的性能也有明顯的影響，開發(fā)出在運(yùn)行溫度下具有良好電化學(xué)活性與穩(wěn)定性的陽極材料也是提高電池性能的關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)的金屬陶瓷陽極雖然具有良好的電化學(xué)活性，但其在工作條件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，在應(yīng)用碳?xì)浠衔餅槿剂蠒r(shí)，還會(huì)產(chǎn)生積碳，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料因其獨(dú)特性能，近年來作為SOFC陽極受到重視，其中摻雜SrTiO3陽極具有良好的應(yīng)用潛力。本文通過凝膠澆注法

5、制備出了Sm0.04Sr0.94Ti1-xScxO3-δ陽極粉體，進(jìn)而制備出陽極燒結(jié)體和對(duì)稱單電池試樣，并對(duì)材料和電池的性能進(jìn)行了測(cè)試分析。結(jié)果表明:在Sm0.04Sr0.94TiO3陽極Ti的位置引入Sc能有效改善其性能，引入少量Sc時(shí)，Sm0.04Sr0.94Ti1-xScxO3-δ粉體的燒結(jié)活性提高，所得陽極燒結(jié)體的總電導(dǎo)率隨著Sc含量的增加而降低，但是陽極的極化電阻隨著Sc含量的增加而降低，在700℃當(dāng)x=0，0.02，0.04

6、，0.06時(shí)，Sm0.04Sr0.94Ti1-xScxO3-δ陽極的電導(dǎo)率分別為41.84S·cm-1，39.27S·cm-1，32.01S·cm-1，19.18S·cm-1。在850℃當(dāng)x=0，0.02，0.04，0.06時(shí)在5％H2/Ar混合氣氛中的極化電阻分別為極化電阻分別是4.87Ω·cm2，4.12Ω·cm2，3.24Ω·cm2和2.82Ω·cm2。
　　為了進(jìn)一步考察本文所制各的Ce0.8Sm0.2-xScxO2-δ(

7、SSDC5)電解質(zhì)和Sm0.04Sr0.94Ti1-xScxO3-δ(SSTS x=0，0.02，0.04)陽極材料的性能，制備了Ni-SSDC5/SSDC5/BSCF-S SDC5、 Ni-SDC/SDC/BSCF-SDC單電池和SSTS-SSDC5/SSDC5/BSCF-SSDC5單電池，測(cè)試了其相關(guān)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在SDC電解質(zhì)中摻雜少量的Sc能有效提高電池的開路電壓和輸出功率。同時(shí)，Sc的引入能適當(dāng)提高SSTS-SSDC5/