SOFC新型复合阴极材料的制备及性能研究

发布时间：2017-03-31 21:07

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【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种将燃料中的化学能通过电化学氧化还原反应转化为电能的全固态发电装置。为了提高SOFCs的工作效率,除了开发高离子电导率的电解质材料以降低欧姆电阻外,寻找中低温条件下性能优越的阴极材料也是一个重要的研究方向。尖晶石结构氧化物Mn_(1.5)Co_(1.5)O_4(MCO)作为SOFCs连接体材料已被广泛研究,它具有电子电导率高,结构稳定性好等优点,因此,本论文将其与氧离子导体Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)(SDC)复合,组成离子-电子混合导体,探讨其作为SOFCs阴极的可行性。本文分别采用传统的机械混合法和新型一步水热合成法制备纳米多孔的Mn_(1.5)Co_(1.5)O_4-Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)(MCO-SDC)复合粉体。通过XRD技术对材料物相及化学相容性进行表征,结果表明,用EDTA-柠檬酸联合络合法制备的MCO和SDC粉体均为单一的纯相,一步水热合成法制备的复合粉体MCO-SDC同时具有尖晶石相和立方萤石相,而且MCO与YSZ和SDC电解质材料之间具有良好的化学相容性。以不同比例的复合材料MCO-SDC(50:50wt%、60:40wt%、70:30wt%)为阴极,YSZ为电解质,制备阳极支撑型单电池NiO-YSZ/YSZ/MCO-SDC,对其进行放电性能及交流阻抗谱测试可知:复合阴极MCO-SDC50(50:50wt%)的电化学性能最好,具有最小的极化电阻值。机械混合法制备的复合阴极材料MCO-SDC50组装的单电池在800℃-650℃的最大功率密度分别为914.77 mW·cm~(-2)、656.5 mW·cm~(-2)、412.12mW·cm~(-2)、228.69 mW·cm~(-2),极化电阻分别为0.86W·cm~2、1.13W·cm~2、1.74W·cm~2、3.06W·cm~2;用一步水热合成法制备的复合阴极材料MCO-SDC50组装的单电池在800℃-650℃的最大功率密度分别为902.8 mW·cm~(-2)、618.9 mW·cm~(-2)、363.8 mW·cm~(-2)、198.8 mW·cm~(-2),极化电阻分别为0.85W·cm~2、1.18W·cm~2、2.0W·cm~2、3.73W·cm~2。可以看出两种方法制备的复合阴极材料均具有较好的电化学性能。为了继续考察新型复合阴极材料MCO-SDC应用于单电池的可行性,本论文第四章以机械混合法制备的复合材料为阴极,SDC为电解质,制备阳极支撑型单电池NiO-SDC/SDC/MCO-SDC50(50:50wt%)和NiO-SDC/SDC/MCO-SDC70(30:70wt%),并在相同测试条件下对比不同比例复合阴极单电池的电化学性能。结果表明掺杂50wt%SDC的复合阴极材料的极化电阻较小,700℃-550℃的最大功率密度分别为929.1 mW·cm~(-2)、600.6 mW·cm~(-2)、425.9 mW·cm~(-2)、158.6 mW·cm~(-2),极化电阻分别为0.06W·cm~2、0.19W·cm~2、0.43W·cm~2、1.05W·cm~2。综合研究表明,新型复合材料MCO-SDC50适宜作为IT-SOFC阴极材料。
【关键词】：中温固体氧化物燃料电池 新型复合阴极材料 Mn_(1.5)Co_(1.5)O_4-Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)
【学位授予单位】：山西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4;TB33
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 燃料电池简介10
• 1.2 固体氧化物燃料电池概述10-14
• 1.2.1 SOFC工作原理10-11
• 1.2.2 SOFC的理论电动势和开路电压11-12
• 1.2.3 SOFC运行中的极化损失和V-I曲线12-14
• 1.3 固体氧化物燃料电池的关键材料及性能要求14-21
• 1.3.1 电解质材料14-15
• 1.3.2 阳极材料15-16
• 1.3.3 阴极材料16-21
• 1.4 SOFC亟待解决的问题和发展趋势21-22
• 1.5 本论文选题的意义及主要研究内容22-24
• 2 实验材料与表征方法24-30
• 2.1 实验所用药品及主要仪器设备24-25
• 2.1.1 实验所用化学药品24
• 2.1.2 实验所用仪器设备24-25
• 2.2 电极材料及电池的制备25-27
• 2.2.1 电解质和阴极材料的制备25-26
• 2.2.2 单电池的制备26-27
• 2.3 表征方法与电化学性能测试27-30
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）分析27-28
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）分析28
• 2.3.3 单电池放电性能测试28-29
• 2.3.4 电化学阻抗谱测试29-30
• 3 MCO-SDC复合阴极材料在YSZ基电解质单电池上的性能研究30-46
• 3.1 引言30-31
• 3.2 实验方法及过程31-32
• 3.2.1 复合阴极粉体的制备31
• 3.2.2 单电池的制备31-32
• 3.3 实验结果及分析32-45
• 3.3.1 材料的物相及化学相容性32-34
• 3.3.2 机械混合法制备的MCO-SDC复合阴极材料的电化学性能研究34-40
• 3.3.3 一步水热合成法制备的MCO-SDC复合阴极材料的电化学性能研究40-44
• 3.3.4 不同方法制备的复合阴极材料应用于单电池的性能对比44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 4 MCO-SDC复合阴极材料在SDC基电解质单电池上的性能研究46-56
• 4.1 引言46
• 4.2 实验方法及过程46-47
• 4.2.1 MCO-SDC复合阴极浆料的制备46
• 4.2.2 单电池的制备46-47
• 4.3 实验结果及分析47-53
• 4.3.1 单电池放电性能测试及分析47-48
• 4.3.2 单电池的交流阻抗测试及分析48-52
• 4.3.3 单电池的微观形貌分析52-53
• 4.4 本章小结53-56
• 5 结论56-58
• 6 展望58-60
• 致谢60-62
• 参考文献62-72
• 附录72

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本文编号：280089