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原位法合成La_（0.6）Sr_（0.4）Fe_（0.8）Co_（0.2）O_（3-δ）-Gd_（0.2）Ce_（0.8）O_（2-δ）复合阴极材料及电化学性能研究

作　者: 倪丹
导　师: 孙克宁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 固体氧化物燃料电池 复合阴极 原位合成法 水滴模板法
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


固体氧化物燃料电池（SOFC）被认为是21世纪最有前景的发电系统之一。目前研究的重点是开发可在中低温（600℃800℃）区域工作的SOFC,随着工作温度的降低,阴极的极化会急剧增大。为了在中低温下获得更好的电化学性能,需要开发新型阴极材料及结构。本文采用溶胶-凝胶法原位制备了适用于中温SOFC的LSFC-GDC复合阴极材料,并对其性能进行了测试与表征。同时采用聚合物水滴模板法制备了蜂窝状多孔复合阴极,这种阴极结构有利于气体传输,增加三相反应界面长度。本论文采用原位合成的方法制备LSFC-GDC复合阴极材料,研究了合成条件对材料性能的影响。通过X射线衍射分析（XRD）对制得的材料进行了物相分析,发现原位法得到的材料为LSFC-GDC复合阴极材料,无其他杂质相存在。通过谢乐公式计算晶粒尺寸,发现原位法制备的复合阴极材料中,LSFC晶粒尺寸比相同条件下得到的单相LSFC的晶粒尺寸小。与机械混合法制备的复合阴极材料相比,两相分布更均匀。材料热膨胀系数小于LSFC材料,与GDC的热膨胀系数接近,适宜作为SOFC阴极。经过多种测试方法的综合表征,最终确定了最佳的复合材料制备工艺:原位法制备LSFC-GDC复合阴极材料最优配比为LSFC-GDC质量比为50:50,最优煅烧温度为900℃。将原位法制备的LSFC-GDC材料通过丝网印刷制备成SOFC复合阴极,研究了烧结温度和烧结时间这两个关键因素对复合阴极电化学性能的影响。研究表明,LSFC-GDC复合阴极最优烧结温度为1000℃,最优烧结时间为2 h。在800℃下的极化阻抗为0.17Ω·cm2,750℃下的极化阻抗为0.33Ω·cm2,在800℃下组装电池的最高放电功率密度为1.07 W·cm-2。采用水滴模板法制备LSFC-GDC蜂窝状多孔阴极,讨论了各种因素对所得到的多孔阴极微观结构的影响规律,通过SEM对所制备阴极结构进行分析,发现控制一定的温度、适度、聚合物浓度等条件,能够成功获得孔径从1040μm的大孔结构,并且在孔壁上存在亚微米级的小孔。通过研究表明,当烧结温度为1100℃,大孔孔径10μm时,800℃下的极化阻抗为0.486Ω·cm2。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 课题研究的背景  9
  1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）概述  9-11
    1.2.1 固体氧化物燃料电池工作原理  9-10
    1.2.2 固体氧化物燃料电池的优点  10-11
  1.3 国内外阴极研究现状  11-15
    1.3.1 复合阴极研究现状  11-13
    1.3.2 模板法制备复合阴极  13-15
  1.4 课题主要研究内容  15-16
第2章 实验材料及测试研究方法  16-21
  2.1 实验药品及主要仪器设备  16-17
    2.1.1 实验药品  16-17
    2.1.2 主要仪器设备  17
  2.2 物性测试仪器及测试方法  17-18
    2.2.1 X 射线衍射(XRD)分析  17-18
    2.2.2 傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析  18
    2.2.3 热重（TG）及差示扫描(DSC)分析  18
    2.2.4 热膨胀性能表征  18
    2.2.5 扫描电子显微镜  18
  2.3 电化学性能测试  18-21
    2.3.1 电化学阻抗谱测试  18-19
    2.3.2 电池放电性能测试  19-21
第3章 原位法合成La_(0.6)Sr_(0.4)Fe_(0.8)Co_(0.2)0_(3-δ)-Gd_(0.2)Ce_(0.8)0_(2-δ)复合阴极材料及性能研究  21-45
  3.1 复合阴极粉体制备  21-30
    3.1.1 溶胶凝胶制备  21-23
    3.1.2 粉体煅烧  23-24
    3.1.3 粉体性能表征  24-30
  3.2 复合阴极性能表征  30-39
    3.2.1 SEM 表征  31
    3.2.2 电化学性能测试  31-39
  3.3 阴极制备条件的优化  39-42
    3.3.1 烧结温度对阴极性能的影响  39-40
    3.3.2 烧结时间对阴极性能的影响  40-42
  3.4 复合阴极放电性能测试  42-43
  3.5 本章小结  43-45
第4章 水滴模板法制备蜂窝型多孔复合阴极研究  45-66
  4.1 水滴模板法制备蜂窝状多孔阴极的原理  45-47
    4.1.1 水滴模板法制备高聚物微孔膜的原理  45-46
    4.1.2 水滴模板法制备蜂窝状多孔阴极原理  46-47
  4.2 合成条件的确定  47-49
    4.2.1 高聚物选取  47
    4.2.2 有机溶剂选取  47
    4.2.3 复合阴极粉体选取  47
    4.2.4 设备及制备流程确定  47-49
  4.3 阴极制备的影响因素  49-57
    4.3.1 环境湿度对阴极结构的影响  49-50
    4.3.2 环境温度对阴极结构的影响  50-51
    4.3.3 共聚物浓度对阴极结构的影响  51-53
    4.3.4 粉体浓度对阴极结构的影响  53-54
    4.3.5 烧结对阴极形貌的影响  54-57
  4.4 电化学表征  57-64
    4.4.1 烧结温度对阴极电化学性能的影响  57-59
    4.4.2 蜂窝结构对阴极电化学性能影响  59-61
    4.4.3 微米级孔孔径对阴极电化学性能的影响  61-64
  4.5 本章小结  64-66
结论  66-67
参考文献  67-73
致谢  73

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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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