论文部分内容阅读
随着科学技术的飞速发展，全球性能源危机以及日益突出的环境污染问题使人们更加的重视和研究新型环保节能材料。迄今为止，在人类所发明的能源转化方式中，固体氧化物燃料电池（SOFC）是其中转换效率最高的，是以H2、碳氢化合物（如CO、天然气等）等为燃料的环境友好型储能装置。阴极材料的性能影响整个电池的输出性能高低，所以开发高性能的SOFC阴极材料具有极其重要的意义。A-位有序化的双钙钛矿阴极，由于其在低温具有快速的氧离子扩散、氧交换能力和高电导率，而被广泛的应用到中温固体氧化物燃料电池中，成为最有前景的阴极材料之一。混合电子-离子导体（MIEC）由于其很大的氧空位浓度而使其具有比LSM更高的离子电导被广泛地作为中温固体氧化物燃料电池的阴极材料进行研究。最近，双钙钛矿MIECs，LnBaCo2O5+δ因为其快速氧离子输运特性和高电子电导被认为是最有前景的阴极材料而被作为中温固体氧化物燃料电池的阴极材料进行研究。根据文献报道，LnBaCo2O5+δ中，PrBaCo2O5+δ具有最高的体扩散系数和表面交换系数，即具有促进氧还原反应的高催化活性。然而在通常情况下，高催化活性材料都具有很大的热膨胀系数，同时钴基材料的热膨胀系数都非常大，直接对阴极与电解质界面的热循环过程造成很大的影响，从而降低整个电池的输出性能。所以一般为了提高阴极材料与电解质材料的相容性，通常通过掺杂铁，铜等过渡族金属元素来降低热膨胀系数。本文研究了电子-离子混合导电（MIEC）阴极双钙钛矿PrBaCo2-xCuxO5+δ（PBCC），PrBaCo2-xFexO5+δ（PBCF）两种新型材料的结构、与电解质的匹配性，电化学性能等等。第三章研究了Cu掺杂量对材料电化学性能的影响。采用柠檬酸溶胶凝胶法制备阴极材料，发现经过900℃烧10h后，形成了正交钙态矿结构。当Cu的掺杂量相同时，随温度升高，电导率下降；在温度一定的前提下，随Cu掺杂量的增加,电导率先上升后下降。PBCCx阴极样品的平均热膨胀系数随Cu的掺杂量的增多而减小。随着Cu掺杂量的增多，阴极的界面极化电阻（RP）先减少后增大，当Cu的掺杂量x为0.5时，RP值最小，在600℃,650℃,700℃,750℃和800℃时其界面极化电阻RP的值相应的是0.768，0.23393，0.10827，0.0638和0.04447cm2。电池的功率密度随着Cu掺杂量的增多，先增大后减小，当Cu的掺杂量x为0.5时，表现出最好的电化学性能，以Ni0.9Cu0.1-SDC为阳极，SDC为电解质的电解质支撑的单电池在600℃,650℃,700℃,750℃和800℃时的最大输出功率密度分别为157.15,239.98,323.68,456.16和532.15mW/cm2。第四章研究了Fe掺杂对材料电化学性能的影响。采用柠檬酸溶胶凝胶法制备阴极材料，发现经过950oC烧10h后，形成了正交钙态矿结构。当Fe的掺杂量相同时，随温度升高，电导率下降；在温度一定的前提下，随Fe掺杂量的增加,电导率下降。PBCFx阴极样品的平均热膨胀系数随Fe的掺杂量的增多而减小。当Fe掺杂量为2.0时，平均热膨胀系数是13.39×10-6K-1，接近于电解质SDC的平均热膨胀系数，SDC的平均热膨胀系数为12.02×10-6K-1。随着Fe含量的增多，阴极的界面极化电阻（RP）逐渐增大。当Fe的掺杂量为1.0时，600℃,650℃,700℃,750℃，800℃下RP依次为0.95957，0.33645，0.14889，0.08121，0.04222cm2。电池的功率密度随着Fe含量的增多，逐渐减小。本文的基本出发点是要降低材料的热膨胀系数，提高氧化还原反应的阴极催化性能，从而改善阴极材料的性能，经过系统的研究，实验结果良好。