ABO3(A=La,Ba;B=Fe)鈣鈦礦陰極材料的電性能及應(yīng)用.pdf

1、燃料電池是一類將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有高效、環(huán)境友好等優(yōu)點，是21世紀(jì)各國競相發(fā)展的新型能源。
　　固體氧化物燃料電池(SOFC)是由致密的電解質(zhì)和多孔性電極組成的三明治結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是最有效的多功能發(fā)電系統(tǒng)，尤其適用于分散電站，已引起人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的SOFC采用YSZ作電解質(zhì)，工作溫度在800oC以上。如此高的工作溫度會帶來一系列嚴(yán)重問題，如制作成本增加、密封困難以及電極和電解質(zhì)的界面反應(yīng)等。若將工作溫度降至500

2、-800oC中溫范圍，不僅可以擴(kuò)展材料的選擇性，有效地降低生產(chǎn)成本，還可以改進(jìn)SOFC系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。為發(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。一是選用中溫范圍內(nèi)具有較高電導(dǎo)率的固體電解質(zhì)材料，二是將電解質(zhì)薄膜化。電解質(zhì)的薄膜化能顯著降低IT-SOFC的內(nèi)阻，減少IT-SOFC的能量損失。但隨著SOFC工作溫度從高溫降至中溫，電極極化電阻迅速增大，成為限制電池性能的主要因素。因此，IT-SOFC的陰極材

3、料一直是研究的重點之一。
　　基于上述原因，本論文著重對質(zhì)子導(dǎo)體薄膜中溫固體氧化物燃料電池進(jìn)行了探索。主要研究及成果如下：
　　采用固相法和硝酸鹽-檸檬酸法制備無鈷鈣鈦礦型系列樣品La0.6Sr0.4Fe1-xCrxO3-α(0≤x≤0.3)。用交流阻抗譜法測試了在300-800oC下系列樣品空氣中的電導(dǎo)率以及典型樣品La0.6Sr0.4Fe0.9Cr0.1O3-α(LSFC10)在氧氣和氬氣中的電導(dǎo)率。采用簡易的漿料旋涂方

4、法，在多孔性復(fù)合陽極Ni-BZCY支撐體上制備質(zhì)子導(dǎo)電BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-β(BZCY)薄膜，在BZCY上制備多孔性LSFC10陰極膜，分別以H2和O2為燃料和氧化劑，組裝成SOFC單電池：H2,Ni-BZCY|BZCY|LSFC10,O2。測定了燃料電池在600-700oC下的性能。典型陶瓷樣品LSFC10與電解質(zhì)材料BZCY化學(xué)相容性良好，電導(dǎo)率隨溫度升高先升后降，在550oC下氧氣氣氛中電導(dǎo)率達(dá)到138Scm-1

5、。燃料電池的功率密度隨溫度升高而增大，在700oC時最大輸出功率密度達(dá)到412mWcm-2，電極極化阻抗很小，僅為0.19Ωcm2。
　　在本研究中，采用硝酸鹽-檸檬酸法首次制備了新型無鈷雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)系列陰極材料NdBaFe2-yNiyO5+δ(0≤y≤0.3)，用交流阻抗譜法測試了系列樣品在300-800oC下空氣中的電導(dǎo)率。結(jié)果表明，NdBaFe2-yNiyO5+δ是離子-電子混合導(dǎo)體(MIEC)。系列樣品中，NdBaFe1.

6、8Ni0.2O5+δ(NBFNi20)具有最高電導(dǎo)率，在550oC下空氣氣氛中達(dá)到145Scm-1，與電解質(zhì)BZCY化學(xué)相容性良好。利用簡易、低成本的漿料旋涂法及隨后的熱處理在NiO-BZCY陽極支撐體上成功制備致密、均一的BZCY固體電解質(zhì)薄膜，在其上面制備多孔性NBFNi20-BZCY復(fù)合陰極，分別以H2和O2為燃料和氧化劑，組裝成的SOFC單電池在700oC下功率密度達(dá)到490mWcm-2，電極極化阻抗很低，僅為0.15Ωcm2。