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层状钙钛矿钴氧化物的制备及其作为燃料电池阴极材料的研究

作　者: 曲丽娜
导　师: 刘毅
学　校: 贵州大学
专　业: 材料学
关键词: 层状钙钛矿钴氧化物 阴极材料 中温固体氧化物燃料电池 电导率 小极化子 热膨胀
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


固体氧化物燃料电池（简称SOFC）被称为第四代燃料电池,是目前国际公认具有发电效率高,能量密度大;燃料使用面广,余热利用价值高的燃料电池。但是,SOFC在高温下（800—1000℃）运行会带来一系列的问题,如电池封接困难、寿命短、造价高等,极大的限制了SOFC的推广和使用。因此,研究工作温度为500—800℃中温固体氧化物燃料电池（ITSOFC）变成为了发展的必然趋势。阴极材料是ITSOFC的重要组成部分,随着使用温度的降低,将导致传统阴极材料的极化电阻增大、电导率降低等一系列问题,电池的性能也会大大降低。因此,寻找新的能在中温（500—800℃）条件下工作的阴极材料对于发展SOFC中温化尤为重要。本论文采用溶胶—凝胶法合成制备了具有层状钙钛矿结构的ITSOFC阴极材料YBa1-xCaxCo2O5+δ（x=0～0.3）,系统地研究了样品体系的晶体结构、热膨胀性能和电输运性能,Ca2+的Ba位掺杂对晶体结构、电输运性能和热膨胀性能的影响,还考察了阴极材料与电解质材料的高温粘附性和它的催化活性。研究发现,所制样品体系在1100℃高温烧结后具有3×1×1型层状钙钛矿结构,属四方晶型,空间群为P4/mmm。Ca2+的Ba位掺杂明显地改变YBa1-xCaxCo2O5+δ的热膨胀性能,随着X的增大,掺杂样品在200℃—800℃内的热膨胀系数逐渐减小,其中YBa0.7Ca0.3Co2O5+δ与电解质材料8YSZ的热膨胀系数较为接近,说明它与电解质材料8YSZ有良好的匹配性;YBa1-xCaxCx2O5+δ（x=0～0.3）体系在高温下具有较高的导电率,YBa0.7Ca0.3Co2O5+δ在800℃时的导电率较高约为41.33Scm-1;掺杂样品在中低温下（室温—450℃）的Ln（σT）与1/T近似呈直线关系,其电输运机制符合半导体小极化子模型。另外YBa0.7Ca0.3Co2O5+δ与8YSZ电解质间的高温粘附性能较好,在820℃左右时,阴极材料与电解质之间的界面电阻很小约为4.86Ω·cm2,说明该阴极材料具有较高的催化活性,有利于ITSOFC的正常工作。

全文目录


目录  3-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
第一章 文献综述  9-34
  1.1 引言  9-10
  1.2 燃料电池的基本介绍  10-16
    1.2.1 燃料电池的工作原理  10-12
    1.2.2 燃料电池的种类  12-13
    1.2.3 燃料电池的特点  13-14
      1.2.3.1 发电效率高  13
      1.2.3.2 发电环境友好  13-14
      1.2.3.3 动态响应性好、供电稳定  14
      1.2.3.4 应答速度快,运行质量高  14
      1.2.3.5 方便耐用、用途多  14
      1.2.3.6 燃料来源广泛  14
    1.2.4 燃料电池的历史及研究现状  14-16
  1.3 固体氧化物燃料电池(SOFC)  16-34
    1.3.1 SOFC的工作原理  16-17
    1.3.2 SOFC的特点  17-18
    1.3.3 SOFC的关键材料  18-22
      1.3.3.1 电解质材料  19-20
      1.3.3.2 阳极材料  20-21
      1.3.3.3 连接材料  21
      1.3.3.4 阴极材料  21-22
    1.3.4 SOFC阴极材料的反应步骤及机理  22-23
    1.3.5 SOFC阴极材料的研究进展  23-26
      1.3.5.1 电子导电阴极  24
      1.3.5.2 离子-电子混合导电(MIEC)阴极  24-26
    1.3.6 SOFC的研究开发  26-31
      1.3.6.1 SOFC的结构类型  26-28
      1.3.6.2 SOFC的国内外研究概况  28-30
      1.3.6.3 SOFC的中温化  30-31
    1.3.7 本文的研究背景、技术路线及特点  31-34
      1.3.7.1 研究背景  31-32
      1.3.7.2 技术路线及特点  32-34
第二章 实验部分  34-44
  2.1 实验仪器及设备  34
  2.2 实验原料  34-35
  2.3 样品制备方法及制备过程  35-38
    2.3.1 溶胶—凝胶法简介  35-37
    2.3.2 样品YBa_(1-x)Ca_xCo_2O_(5+δ)的制备过程  37-38
  2.4 样品的性能表征  38-44
    2.4.1 X—射线粉末衍射(XRD)分析  38-39
    2.4.2 电输运性能测试  39
    2.4.3 热膨胀性能测试  39-40
    2.4.4 电极的显微结构分析(SEM)  40-41
    2.4.5 交流复阻抗以及交流阻抗谱的测试原理  41-44
第三章 阴极材料YBaCo_2O_(5+δ)的性能研究  44-53
  3.1 引言  44-46
  3.2 X—射线粉末衍射(XRD)分析  46-47
  3.3 电输运性能测试  47-50
    3.3.1 电导率测量结果  47-49
    3.3.2 小极化子模型  49-50
    3.3.3 电导活化能  50
  3.4 热膨胀性能测试  50-51
  3.5 本章小结  51-53
第四章 Ba位掺杂对YBaCo_2O_(5+δ)性能的研究  53-62
  4.1 引言  53
  4.2 X—射线粉末衍射(XRD)分析  53-55
  4.3 热膨胀性能测试  55-57
  4.4 电输运性能测试  57-60
  4.5 本章结论  60-62
第五章 YBa_(0.7)Ca_(0.3)Co_2O_(5+δ)作为阴极材料的性能研究  62-68
  5.1 引言  62
  5.2 阴极-电解质双层结构的样品制备  62
  5.3 复合阴极层的显微结构分析  62-64
  5.4 界面电阻测量  64-67
    5.4.1 界面电阻与催化活性  64
    5.4.2 界面电阻的测量  64-67
  5.5 本章小结  67-68
第六章 结论与展望  68-71
  6.1 结论  68-69
  6.2 展望  69-71
致谢  71-72
参考文献  72-78
附录  78-79

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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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