ABO3(A=Ba;B=Fe,Co)鈣鈦礦型陰極材料的電性能及其應(yīng)用.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種新型綠色化學(xué)發(fā)電裝置。由于其具有能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料適配性強(qiáng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，受到世界范圍內(nèi)的關(guān)注和研究。SOFC的單電池包括多孔性陽(yáng)極、陰極和致密的電解質(zhì)。
　　 高溫(800℃以上)固體氧化物燃料電池會(huì)導(dǎo)致了一系列嚴(yán)重問(wèn)題，如:制作成本較高，電極與電解質(zhì)成分易相互擴(kuò)散，材料易老化，封接材料難選擇，等。為了發(fā)展中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)，目前有兩種較好的方法。一種方法是采用較低

2、溫度下具有高電導(dǎo)率的固體電解質(zhì)材料。還有一種方法是電解質(zhì)薄膜化。電解質(zhì)薄膜化能顯著降低IT-SOFC的內(nèi)阻，減少IT-SOFC的能量損失。但隨著燃料電池工作溫度從高溫降至中溫，陰極極化電阻迅速增大、成為限制電池性能的重要因素，因此，IT-SOFC的陰極材料一直是研究的重點(diǎn)之一。
　　 傳統(tǒng)合成氨的方法是所謂的Haber-Bosch法，是以氮?dú)夂蜌錃鉃樵希诩s450℃、15-30MPa高壓和Fe基催化劑條件下合成。該方法因需高壓

3、，存在對(duì)設(shè)備要求高、能耗高、成本高、及氫的轉(zhuǎn)化率低(10-15％)問(wèn)題。因此，實(shí)現(xiàn)常壓合成氨是人們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。質(zhì)子導(dǎo)體可應(yīng)用于常壓合成氨。
　　 基于上述情況，本論文著重進(jìn)行了質(zhì)子導(dǎo)體薄膜IT-SOFC性能及常壓合成氨研究。本論文的主要研究工作及結(jié)果如下:
　　 (1)第一章概述了燃料電池的基本原理、結(jié)構(gòu)、各組件的特點(diǎn)，著重對(duì)固體氧化物燃料電池的陰極材料進(jìn)行了綜述。
　　 (2)利用硝酸鹽-檸檬酸法制備了單一

4、鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的Ba0.5Sr0.5Co0.8Cu0.2O3-δ陰極材料、及BaZrxCe0.8-xGd0.2O3-δ和BaZr0.1Ce0.75Y0.15O3-δ電解質(zhì)材料。在300-800℃空氣氣氛中Ba0.5Sr0.5Co0.8Cu0.2O3-δ陰極材料具有較高的電導(dǎo)率(電導(dǎo)率為69-112Scm-1)。分別以BaZr0.1Ce0.7Gd0.2O3-δ及BaZr0.1Ce0.75Y0.15O3-8薄膜為電解質(zhì)，以Ba0.5Sr0.5

5、Co0.8Cu0.2O3-δ為陰極，組裝成的單電池獲得了優(yōu)良的燃料電池性能，700℃時(shí)最大功率密度分別為411mWcm-2和351mWcm-2，電極極化阻抗分別為0.284Ωcm2和0.145Ωcm2。
　　 (3)利用硝酸鹽-檸檬酸法制備了單一鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的Ba0.5Sr0.5Fe0.8Mn0.2O3-δ(BSFMn)陰極材料，并且獲得了在本論文研究的燃料電池中最高的燃料電池性能。BSFMn在氧氣氣氛中400℃時(shí)具有最高的電導(dǎo)

6、率為155Scm-1。采用簡(jiǎn)易的漿料旋涂方法制備了陽(yáng)極支撐的BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-α(BZCY)電解質(zhì)薄膜，以Ba0.5Sr0.5Fe0.8Mn0.2O3-δ為陰極，組裝成的單電池在700℃時(shí)的最大功率密度為500mWcm-2，電極極化阻抗為0.16Ωcm2。
　　 (4)利用硝酸鹽-檸檬酸法制備了新型系列無(wú)鈷單一鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的陰極材料Ba0.5Sr0.5Fe1-xMoxO3-δ。Ba0.5Sr0.5Fe0.9M

7、o0.1O3-δ(BSFM10)在400℃下空氣中最高電導(dǎo)率達(dá)到192.3Scm-1。利用簡(jiǎn)易、低成本的漿料旋涂法及隨后的熱處理在NiO-BZCY陽(yáng)極支撐體上成功地制備出致密、均一的BZCY固體電解質(zhì)薄膜，以BSFM10-BZCY為復(fù)合陰極時(shí)，單電池在700℃時(shí)最大輸出功率密度達(dá)到420mWcrn-2，開(kāi)路電壓為1.01V，電極極化阻抗為0.15Ωcm2。
　　 (5)利用硝酸鹽-檸檬酸法制備了復(fù)合鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的新型陰極材料Gd

8、BaFeNiO5+δ，其在氧氣、空氣及氬氣氣氛中的最高電導(dǎo)率分別為185Scm-1、161Scm-1及112Scm-1，表明該陰極材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。利用簡(jiǎn)易的漿料旋涂法在NiO-BZCY陽(yáng)極支撐體上成功地制備出致密、均一的BZCY固體電解質(zhì)薄膜，以GdBaFeNiO5+δ為陰極，單電池具有優(yōu)良的性能，最大功率密度在700℃時(shí)為456mWcrn-2，電極極化阻抗為0.147Ωcm2。
　　 本章研究還組裝了與上述固體氧化物燃