固體氧化物燃料電池陽(yáng)極制備及穩(wěn)定性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells，SOFCs)可將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、燃料適應(yīng)范圍廣和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是一種市場(chǎng)發(fā)展前景看好的新能源技術(shù)。SOFC單電池由陰極、電解質(zhì)和陽(yáng)極三部分組成，其中陰極、電解質(zhì)材料的研究已經(jīng)較為充分，市場(chǎng)已推出相應(yīng)的材料體系。在SOFC操作溫度中低溫化的發(fā)展趨勢(shì)下，陽(yáng)極材料的開(kāi)發(fā)顯得滯后，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)Ni基金屬陶瓷陽(yáng)極(Ni-YSZ，Ni-SDC)雖然具

2、有優(yōu)秀的電催化活性和良好的集電性，但在使用碳?xì)淙剂希ㄈ缂淄?，天然氣）時(shí)，陽(yáng)極易出現(xiàn)積炭和硫中毒現(xiàn)象，這些問(wèn)題很大程度上限制了Ni基陽(yáng)極的商業(yè)化進(jìn)程。本研究針對(duì)Ni-YSZ基陽(yáng)極目前面臨的現(xiàn)狀，致力于探索直接對(duì)碳?xì)淙剂线M(jìn)行催化氧化，且具有良好抗積碳的新型陽(yáng)極材料體系，主要內(nèi)容如下:
　　第一章簡(jiǎn)要概括了固體氧化物燃料電池的研究背景、工作原理和電池各組件材料及制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀。重點(diǎn)介紹了基于中低溫條件下操作的發(fā)展思路，傳統(tǒng)SOFCs

3、陽(yáng)極面臨的挑戰(zhàn)及研究進(jìn)展，提出本論文的研究目的和研究?jī)?nèi)容。
　　第二章給出了本研究論文所使用的試劑、粉體合成方法及樣品制備技術(shù)，介紹了用于材料理化性能測(cè)試表征所使用的儀器設(shè)備以及操作條件。
　　第三章探討了傳統(tǒng)陰極候選材料La0.8Sr0.2FeO3-δ(LSF)在引入GDC過(guò)渡層的情況下，作為陽(yáng)極材料使用的可行性。結(jié)果表明:(1) LSF在H2氣氛下具有良好的物相穩(wěn)定性;(2)通過(guò)在LSF與YSZ之間添加過(guò)渡層，700℃界

4、面極化電阻由14.55Ω·cm2降低至4.39Ω·cm2，表明GDC過(guò)渡層能顯著改善LSF陽(yáng)極在中低溫下的催化性能;(3)通過(guò)添加GDC過(guò)渡層，單電池在700℃時(shí)功率密度從90mW· cm-2增加到174 mW·cm-2，性能提高90％以上，且具有良好的穩(wěn)定性。表明LSF是一種有前景的陽(yáng)極材料。
　　第四章采用Mo對(duì)Pr0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2O3-δ(PSFN)進(jìn)行摻雜(PSFNM)，研究Mo摻雜對(duì)物相、電導(dǎo)率、熱膨

5、脹系數(shù)和電化學(xué)性能的影響，同時(shí)分別以PSFN和PSFNM作為陽(yáng)極，構(gòu)建LSGM電解質(zhì)支撐的單電池，驗(yàn)證PSFNM作為陽(yáng)極可行性。結(jié)果表明:(1)通過(guò)Mo摻雜可抑制Fe、Ni往低價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變，提高材料在高溫還原氣氛下的物相穩(wěn)定性，同時(shí)改善電池組件間的熱機(jī)械匹配性;(2)650℃時(shí)Mo摻雜的界面極化電阻由2.763Ω·cm2減小至1.051Ω·cm2，表明Mo摻雜可明顯改善中低溫下的極化性能;(3)800℃時(shí)以PSFN和PSFNM為陽(yáng)極的單電池

6、輸出功率和極化電阻分別為435 mW·cm-2、0.102Ω·cm2和537 mW·cm-2和0.066Ω·cm2，表明Mo摻雜可有效改善電池的輸出性能;(4)長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試表明PSFNM是有潛在開(kāi)發(fā)價(jià)值的陽(yáng)極材料。
　　第五章探討了PrBaMn2O5+δ和Pr0.9Ba0.9Mn1.8Fe0.2O5+δ兩種新型有序?qū)訝钼}鈦礦材料作為SOFC陽(yáng)極材料的物理化學(xué)及電性能。結(jié)果表明:(2)空氣氣氛下，PBMO和PBMFO兩者均呈現(xiàn)四方

7、相和六方相的混合物，為無(wú)序結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)高溫H2還原后，PBMO轉(zhuǎn)變?yōu)閱我烩}鈦礦相，PBMFO主相為鈣鈦礦，伴隨Pr2O3、Fe2O3以及BaFe4O7的析出;(2)高溫還原氣氛下，PBMO與YSZ發(fā)生反應(yīng)，與GDC沒(méi)有相互作用;(3)Fe部分取代Mn位可有效增大載流子濃度，提高空氣和氫氣氣氛下的電導(dǎo)率;(4)相轉(zhuǎn)變前后，PBMO陽(yáng)極單電池最大功率密度從75mW·cm-2增大到104 mW·cm-2，性能提高38.6％，而PBMFO陽(yáng)極單電