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固体氧化物燃料电池阴极材料的制备与表征

作　者: 王小连
导　师: 陈永红
学　校: 安徽理工大学
专　业: 工业催化
关键词: 中温固体氧化物燃料电池 制备 阴极材料 电化学性能
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


降低固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作温度至400-800℃会大大降低电池的成本,加快其市场化和商业化。但是温度的降低也明显降低了阴极材料的性能,因此开发中低温阴极材料是亟待解决的问题。本论文主要研究成果归纳如下：La0.8-xPrxSr0.2FeO3+δ系阴极材料的制备和性能研究：采用柠檬酸—硝酸盐自蔓延燃烧法合成AB03钙钛矿型结构La0.8-xPrxSr0.2FeO3+δ (x=0.0,0.2,0.4,0.6)系列复合氧化物粉体,和BaCe0.7Zr0.1Y0.2O3(BCZY)、Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)电解质。所合成的系列样品经950℃煅烧3h均形成钙钛矿结构的单相固溶体。采用直流四端子法测量了烧结体在中温(450～800℃)区的电导率。并将按质量比为3：2的LPSF4与SDC组成的复合阴极LPSF4-SDC进行组装的阳极支撑型单电池(Ni-BCZY|BCZY|LPSF4-SDC)进行了电性能测试,在700℃时其极化电阻仅为0.07Ω·cm2,700℃时电池的开路电压分别为0.90V,输出功率密度最大值为415mW·cm-2。预示着LPSF4-SDC是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)有潜力的阴极材料。SmBaCo2O5+δ-Sm0.2Ce0.8O1.9复合阴极材料的电化学性能：采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法分别合成了双钙钛矿结构的SmBaCo2O5+δ (SBCO)阴极粉体和萤石型Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)电解质粉体,按3：2的质量比混合上述粉体研磨后得到复合阴极。SBCO与SDC在1000℃下无相互作用；450℃～800℃温度范围内,复合阴极的电导率在369～234/cm之间；SDC的加入降低了复合阴极的热膨胀系数；单电池具有理想的微观结构,阳极｜电解质｜阴极各界面彼此接触良好,650℃时极化电阻仅为0.031Ω·cm2；以H2为燃料气(含体积分数3%水蒸气),空气为氧化剂,650℃时电池的开路电压为0.77V,输出功率最大值为640mW·cm-2。预示着SmBaCo2O5+δ-SDC是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)有潜力的阴极材料。Sm1-xYxBaCo2O5+δ系阴极材料的制备与表征：用柠檬酸—硝酸盐自蔓延燃烧法合成了Sm1-xYxBaCo2O5+δ (x=0.0,0.25,0.5,0.75,1.0)系列复合氧化物粉体,和Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)电解质。采用直流四端子法测量了烧结体在中温(450～800℃)区的电导率。并将按质量比为3：2的SYBC5与SDC组成的复合阴极进行组装的阳极支撑型单电池(Ni-SDC|SDC|SYBC5-SDC)进行了电性能测试,在650℃时其极化电阻仅为0.028Ω·cm2,650℃时电池的开路电压分别为0.77V,输出功率密度最大值为524mW·cm-2。预示着SYBC5-SDC是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)有潜力的阴极材料。Sm0.5Pr0.5BaCo2O5+δ阴极材料的制备与表征：用柠檬酸—硝酸盐自蔓延燃烧法合成了Sm0.5Pr0.5BaCo2O5+δ(SPBC)阴极材料和Ce0.8Sm0.201.9(SDC)电解质。在组装的阳极支撑型单电池(Ni-SDC|SDC|SPBC)进行了电性能测试,在650℃时其极化电阻仅为0.040Ω·cm2,700℃时电池的开路电压分别为0.74V,输出功率密度最大值为494mW·cm-2。预示着SPBC是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)有潜力的阴极材料。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
Contents  12-14
1 文献综述  14-28
  1.1 燃料电池简介  14-15
  1.2 固体氧化物燃料电池  15-21
    1.2.1 SOFC工作原理  15-17
    1.2.2 SOFC的优点  17
    1.2.3 SOFC基本组件及其材料要求  17-20
    1.2.4 SOFC的构型  20-21
  1.3 SOFC阴极材料的研究进展  21-26
    1.3.1 钙钛矿结构ABO_3型氧化物  22-23
    1.3.2 类钙钛矿结构A_(n+1)B_nO_(3n+1)型阴极材料  23-25
    1.3.3 钙钛矿型氧化物  25-26
  1.4 本文研究内容及意义  26-28
2 实验部分  28-34
  2.1 实验原料  28
  2.2 实验仪器及设备  28-29
  2.3 电池材料制备  29-31
    2.3.1 电解质材料的制备  29-30
    2.3.2 阳极材料的制备  30
    2.3.3 阴极材料的制备  30
    2.3.4 复合阴极材料的制备  30
    2.3.5 单电池制备  30-31
  2.4 表征方法与性能测试  31-34
    2.4.1 X射线衍射(XRD)分析  31
    2.4.2 热膨胀系数(TEC)测试  31
    2.4.3 扫描电子显微镜(SEM)分析  31-32
    2.4.4 电导率的测试  32
    2.4.5 电化学阻抗谱和单电池测试  32-34
3 La_(0.8 -x)Pr_xSr_(0.2)FeO_(3+δ)系阴极材料的制备和性能研究  34-42
  3.1 概述  34-35
  3.2 结果与讨论  35-40
    3.2.1 材料的物相与化学相容性  35-36
    3.2.2 样品电导率  36-37
    3.2.3 热膨胀系数分析  37-38
    3.2.4 单电池I-V和I-P性能分析  38-39
    3.2.5 单电池的交流阻抗性能分析  39-40
    3.2.6 单电池断面微结构的研究与分析  40
  3.3 结论  40-42
4 SmBaCo_2O_(5+δ)-Sm_(0.2)Ce_(0.8)0_(1.9)复合阴极材料的电化学性能  42-51
  4.1 概述  42-43
  4.2 结果与讨论  43-49
    4.2.1 物相与化学稳定性  43
    4.2.2 样品电导率  43-44
    4.2.3 热膨胀系数  44-45
    4.2.4 单电池输出特性  45-46
    4.2.5 SEM分析  46-47
    4.2.6 电池阻抗谱分析  47-49
  4.3 结论  49-51
5 Sm_(1_x)Y_xBaCo_2O_(5+δ)系阴极材料的制备与表征  51-59
  5.1 概述  51
  5.2 结果与讨论  51-57
    5.2.1 XRD分析  51-53
    5.2.2 样品电导率  53-54
    5.2.3 热膨胀系数  54-55
    5.2.4 单电池I-V和I-P性能分析  55-56
    5.2.5 SEM分析  56
    5.2.6 电池阻抗谱分析  56-57
  5.3 结论  57-59
6 Sm_(0.5 )Pr_(0.5)BaCo_2O_(5+δ)阴极材料的制备与表征  59-66
  6.1 概述  59
  6.2 结果与讨论  59-64
    6.2.1 XRD分析  59-60
    6.2.2 热膨胀系数分析  60-61
    6.2.3 电导率  61
    6.2.4 单电池性能  61-62
    6.2.5 SEM分析  62-63
    6.2.6 电池阻抗谱分析  63-64
  6.3 结论  64-66
参考文献  66-74
致谢  74-75
作者简介及读研期间主要科研成果  75

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
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