中温阴极材料的合成及SOFC性能研究
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将化学能通过电极反应直接转化为电能的连续发电装置,传统的SOFC需要在高温下(800℃1000℃)工作.但在高温下长时间工作容易引起电池性能的衰减,同时高温下工作使得材料的制备工艺复杂,成本过高,给真正的商业化带来一定困难.降低SOFC操作温度是当前的研究趋势.同时,温度降到800℃以下,传统阴极材料La1-x(Sr,Ca)xMnO3电极活性急剧降低已不适于在中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC, Intermediate temperature solid oxide fuel cell)上应用.柠檬酸盐法不仅可以实现反应物质在分子水平上均匀混合,而且热处理温度低,产物粒径小,分布较窄,是合成无机粉体的一种重要方法.所以,本文采用柠檬酸盐法制备ITSOFC阴极材料La0.7Sr0.15Ca0.15Co1-xFexO3-δ(x=0.2、0.4、0.6、0.8),研究了Fe单掺杂对La0.7Sr0.15Ca0.15Co1-xFexO3-δ阴极材料结构、性能的影响,并以其为阴极,以锂、铜掺杂的氧化镍(LCN)和电解质(质量比4∶1)的混合物为阳极, La0.7Sr0.15Ca0.15Co1-xFexO3-δ和复合电解质[Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)和M2CO3(M=Na、Li)](质量比1∶1)的混合物为阴极,模压法制备了单电池,在氢气/空气气氛中研究了La0.7Sr0.15Ca0.15Co1-xFexO3-δ阴极材料性能对电池性能的影响,确定最优的阴极材料配比.结果表明,Fe掺杂量对开路电压的高低不起决定性作用,开路电压的高低主要由模具与电极间的密封性、气体流速、电解质的致密性及温度决定;最高功率密度随Fe掺杂量增加而降低,在650℃时最高功率密度由x=0.2时的351.7mW/cm2降为x=0.8时的231.1mW/cm2.为了研究最优配比阴极La0.7Sr0.15Ca0.15Co0.8Fe0.2O3-δ的适应性,模压法分别基于柠檬酸盐法制备的钐掺杂氧化铈电解质(SDC)和SDC与碳酸盐组成的复合电解质(CSC)组装ITSOFC,在氢气/空气气氛中对两种电池的性能进行对比研究,研究SDC和CSC对电池性能的影响.结果表明:碳酸盐掺杂SDC降低了电池的开路电压;但随温度从500℃升高到650℃,基于CSC的电池的开路电压UCSC和基于SDC的电池的开路电压USDC的差距由0.219V缩减到0.007V;在650℃时,基于CSC的电池的最高功率密度PCSC高出基于SDC的电池的最高功率密度PSDC253.1mW/cm2.为了实现ITSOFC循环应用,不仅要具有良好的一次输出性能还要有良好的电池稳定性.为此还对模压法基于CSC的单电池在氢气/空气气氛下,升降温循环过程中ITSOFC性能的衰减行为进行了研究.结果表明:随着温度的升高,开路电压和最高功率密度随升降温循环次数增加而衰减的幅度减小并渐趋平缓.第三次升降温循环测试较第一次测试时,开路电压的衰减幅度由450℃时的40.60%变为650℃时的3.68%,最高功率密度的衰减幅度由450℃时的72.44%变为650℃时的11.7%.
- 作者：
- 韩庆贺
- 学位授予单位：
- 大连工业大学
- 专业名称：
- 材料加工工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 高文元
- 中图分类号：
- TM911.4
- 关键词：
- 中温固体氧化物燃料电池；阴极材料；电解质；柠檬酸盐法；电导率
- ITSOFC； Cathode materials； Electrolyte； Citrate method； Electricalconductivity