Fe和Ni置换钴的双钙钛矿中温固体氧化物燃料电池阴极材料的性能研究

发布时间：2017-04-19 17:23

  本文关键词：Fe和Ni置换钴的双钙钛矿中温固体氧化物燃料电池阴极材料的性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种高效、清洁地将化学能转换为电能的装置,在能源与环保问题日趋严峻的今天具有十分重要的应用价值。传统的SOFC操作温度在1000°C左右,为了降低SOFC的制备和运行成本,促进其商业化发展,开发操作温度在600-800°C的IT-SOFC已成为了科学界关注的重点。但是,对于传统的SOFC电极材料,降低操作温度通常会使极化电阻和欧姆电阻增大,导致电池输出性能下降。因此,发展新型IT-SOFC电极材料至关主要,而其关键在于开发高性能的阴极材料。采用溶胶-凝胶法制备出Fe和Ni完全替换Co的双钙钛矿结构IT-SOFC的阴极材料GdBaFeNiO5+δ(GBFN),并研究了其性能。经1150°C烧结10 h的GBFN阴极呈稳定的四方结构,并与Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)电解质在1000°C煅烧10 h后具有良好的化学兼容性。XPS分析表明,GBFN样品中存在混合价态的Fe3+/Fe4+和Ni2+/Ni3+离子,无自旋态的Ni2+离子有助于降低GBFN样品的平均热膨胀系数(Thermal expansion coefficient,TEC)。GBFN样品的平均TEC在30-1000°C温度范围为14.7×10 6 K 1,明显低于GdBaCo2O5+δ(GdBCO)和GdBaCoFeO5+δ(GBCF)的TEC值。在400°C时,GBFN样品的导电性为经历了从类似半导体到类似金属导电行为的转变。Fe和Ni全部置换Co元素的方式,提高了GBFN样品的结构稳定性。以SDC为电解质,Ni-SDC为阳极,800°C时GBFN阴极的极化阻抗和单电池最大功率密度分别为0.219?cm2和287 mW cm-2。此外,采用SDC浸渍的方法改善了GBFN阴极的电化学性能,相同测试条件下GBFN阴极的极化阻抗值降低了~14.2倍,单电池最大功率密度值提高了~1.9倍,800°C时SDC浸渍3次的GBFN复合阴极的极化阻抗和单电池最大功率密度分别为0.065?cm2和515 mW cm-2。在700°C经过20 h的稳定性测试,以GBFN阴极和SDC浸渍3次的GBFN复合阴极制备的单电池性能衰退较少。以上结果表明,GBFN复合阴极有希望作为IT-SOFC阴极材料。Fe和Ni全部置换Co元素极大程度地降低了含Co双钙钛矿材料的平均TEC,但也损害了材料的电化学性能。因此,从权衡材料的热膨胀、稳定性和电化学性能等多方面考虑,我们制备并研究了Fe和Ni部分置换Co的双钙钛矿结构阴极材料GdBaCo2/3Fe2/3Ni2/3O5+δ(GBCFN)和SmBaCo2/3Fe2/3Ni2/3O5+δ(SBCFN),并对其性能进行了研究。经1000°C烧结10 h的GBCFN和SBCFN阴极,分别呈稳定的四方结构和正交结构,它们均与Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)电解质在1000°C煅烧10 h后具有良好的化学兼容性。XPS分析表明,G(S)BCFN样品中过渡金属均以混合价态的Co3+/Co4+、Fe3+/Fe4+和Ni2+/Ni3+存在,无自旋态的Ni2+离子有助于降低G(S)BCFN样品的平均TEC,与未掺杂的GdBCO和SmBaCo2O5+δ(SmBCO)材料相比,Fe和Ni共掺杂产生了更多的氧空位。空气气氛下30-900°C温度范围内,GBCFN和SBCFN样品的平均TEC分别为15.2×10 6 K 1和16.3×10 6 K 1,明显低于未掺杂或Fe在Co位单掺杂阴极材料的平均TEC值。GBCFN和SBCFN样品的电学性质均为小极化子导电模式,电导率分别在375°C和275°C达到了最大值,分别为24.7 S cm 1和64 S cm 1,明显高于无Co的GBFN阴极材料的电子电导率。此外,热重循环测试表明,Fe和Ni共掺杂使得SBCFN阴极具有更好的热稳定性。以SDC为电解质、NiO-SDC为阳极,800°C时GBCFN阴极的极化阻抗和单电池最大功率密度分别为0.187?cm2和317 mW cm-2,SBCFN阴极的极化阻抗和单电池最大功率密度分别为0.128?cm2和331 mW cm-2。为了进一步提高SBCFN阴极的性能,我们制备出SmBaCo2/3Fe2/3Ni2/3O5+δ 30 wt.%Sm0.2Ce0.8O1.9(SBCFN 30SDC)复合阴极材料。研究发现SBCFN与SDC的复合,明显降低了材料的TEC。在800°C时SBCFN 30SDC复合阴极的极化阻抗和单电池最大功率密度分别为0.046?cm2和531 mW cm-2。以上结果表明,SBCFN 30SDC复合阴极非常有潜力作为IT-SOFC的阴极材料。
【关键词】：固体氧化物燃料电池 双钙钛矿 阴极 热膨胀 价态 稳定性 电化学性能
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 前言12-34
• 1.1 燃料电池简介12-13
• 1.1.1 燃料电池应用背景12
• 1.1.2 燃料电池工作原理和分类12-13
• 1.2 SOFC概述13-20
• 1.2.1 SOFC的特点及发展方向13-15
• 1.2.2 SOFC阳极材料15-16
• 1.2.3 SOFC电解质材料16-19
• 1.2.4 SOFC连接体材料和电池堆体系19-20
• 1.3 固体氧化物燃料电池阴极材料的研究现状20-32
• 1.3.1 单钙钛矿结构氧化物22-27
• 1.3.2 双钙钛矿结构氧化物27-31
• 1.3.3 其它类型的阴极材料31-32
• 1.4 本文的研究意义和内容32-34
• 1.4.1 研究意义32-33
• 1.4.2 研究内容33-34
• 第二章 实验材料制备及表征方法34-41
• 2.1 实验材料制备与电池组装34-37
• 2.1.1 电解质材料的制备34
• 2.1.2 阳极材料的制备34
• 2.1.3 阴极材料的制备34-36
• 2.1.4 电池的制备与组装36-37
• 2.2 实验表征方法37-41
• 2.2.1 X射线衍射（XRD）37
• 2.2.2 电导率37-38
• 2.2.3 热重（TG）38-39
• 2.2.4 热膨胀（TEC）39
• 2.2.5 X射线光电子能谱（XPS）39
• 2.2.6 氧含量39-40
• 2.2.7 扫描电子显微镜（SEM）40
• 2.2.8 电化学阻抗40
• 2.2.9 单电池性能40-41
• 第三章 GdBaFeNiO_(5+δ)阴极材料的研究及其性能优化41-62
• 3.1 前言41-43
• 3.2 GdBaFeNiO_(5+δ)阴极材料的研究及其性能优化43-60
• 3.2.1 晶体结构、氧含量和化学兼容性43-47
• 3.2.2 XPS47-48
• 3.2.3 电子电导率48-49
• 3.2.4 热膨胀行为49-51
• 3.2.5 阻抗和微观结构分析51-56
• 3.2.6 单电池性能和长期稳定性56-60
• 3.3 本章小结60-62
• 第四章 Gd(Sm)BaCo_(2/3)Fe_(2/3)Ni_(2/3)O_(5+δ)阴极材料的研究及性能优化62-89
• 4.1 前言62-63
• 4.2 Gd(Sm)BaCo_(2/3)Fe_(2/3)Ni_(2/3)O_(5+δ)阴极材料的性能研究63-87
• 4.2.1 晶体结构、氧含量和化学兼容性63-68
• 4.2.2 XPS分析68-71
• 4.2.3 电子电导率71-75
• 4.2.4 热学性质75-79
• 4.2.5 电化学阻抗和SEM79-84
• 4.2.6 单电池性能和SEM84-87
• 4.3 本章小结87-89
• 第五章 结论与展望89-92
• 5.1 结论89-91
• 5.1.1 Fe和Ni完全置换Co的GBFN阴极材料89-90
• 5.1.2 Fe和Ni部分置换Co的GBCFN和SBCFN阴极材料90-91
• 5.2 创新点91
• 5.3 展望91-92
• 参考文献92-105
• 作者简介及科研成果105-107
• 致谢107

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 刘新福,孙以材,刘东升;四探针技术测量薄层电阻的原理及应用[J];半导体技术;2004年07期

2 纪媛,刘江,贺天民,丛立功,苏文辉;甘氨酸-硝酸盐法制备中温SOFC电解质及电极材料[J];高等学校化学学报;2002年07期

  本文关键词：Fe和Ni置换钴的双钙钛矿中温固体氧化物燃料电池阴极材料的性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：316793