固体氧化物燃料电池LaCo0.6Ni0.4O3-δ接触材料及Pd催化阴极反应动力学研究

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相对于传统固体氧化物燃料电池(SOFC),中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)由于其工作温度相对较低,其在材料和制备工艺的选择上有着较大的优势。在IT-SOFC电堆中结构中由于金属连接体的广泛使用,通常需要在单电池和连接体之间增加一层柔性的接触材料导电层,起到收集电流、缓冲内应力等作用。现阶段对于接触材料的研究还处于材料的筛选和研究阶段,贵金属Pt的性质稳定但价格昂贵,不符合商业化的应用前景,而传统的SOFC钙钛矿型阴极材料和陶瓷连接体材料具有相对较高的导电性,对其研究和改性是当下重要的课题。另一方面,由于IT-SOFC工作温度的降低,阴极催化活性的下降导致电池性能受到影响,因此研究限制阴极材料性能的影响因素和氧还原反应的动力学过程,对探索新型的电极材料和制备新型复合电极能够起到理论依据的作用。本文研究并优化了钙钛矿结构的材料LaCo0.6Ni0.4O3-δ (LCN64)粉体制备工艺,使用PVA方法在650℃得到了晶粒尺寸小于100nm的均匀粉体,粉体存在一定的团聚现象。对LCN64样品进一步分析表明,其电导率在600~800℃之间高于1250S·cm-1,热膨胀系数在100~900℃之间为17.2×10-K-1。通过单电池电堆测试表明,电堆经历5次热循环而保持其放电性基本不变,因此可以认为LCN64适合作为IT-SOFC电堆的接触材料。对于LCN64与SUS430不锈钢连接体的化学相容性研究表明在750℃保温1000h的条件下没有发现钙钛矿相结构的改变,在800℃恒流测试200h后观察到挥发性的Cr沉积在远离SUS430表面的位置与并可能与LCN64晶粒发生一定程度的元素置换。另外,本文通过对Pd/PdO阴极的制备及电化学分析,认为在PdO分解温度Td以下,电极反应集中在PdO电极的表面,电极骨架结构的成分为Pd或者是PdO对反应活化能没有影响。而在Td以上时,PdO分解为金属Pd,电极性能得到提高。表明贵金属Pd对于氧还原反应(ORR)的催化活性高于PdO,因为反应的控制步骤发生了变化。通过对贵金属Pt、Pd作为阴极接触材料对YSZ电极性能的分析,认为其作为接触材料如果与多孔的电解质骨架直接接触,能够对氧还原反应产生催化效果。尤其对于Pd作为接触材料来说,PdO/Pd相的转变对于整个电极的欧姆电阻以及电化学过程均产生影响。对于Pd-YSZ电极来说,Pd作为接触材料与Pt相比,对电极性能的改善作用更加明显,除了电极极化电阻的降低,直流极化过程中还对氧气的扩散过程产生了影响。
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