SOFC中低温阴极材料Ba1-xBi0.05Co0.95-yNbyO3-δ的制备及性能研究

摘要

作为一种高效率、低污染的新型发电设备，固体氧化物燃料电池被广泛研究。目前，燃料电池中低温化是其发展趋势，而提高阴极材料性能是获得高性能中低温单体电池的关键。由于B位Nb掺杂不仅可以稳定阴极材料结构而且可以改善材料性能，而A位离子缺陷可以增加氧空位浓度进而提升材料性能。
　　本文采用高温固相法制备了SOFC中低温阴极材料Ba1-xBi0.05Co1-yNbyO3-δ，并对其进行了详细的研究。XRD表征确定BaBi0.05Co1-yNbyO3-δ阴极粉体的最佳合成温度为1100℃且当Nb掺杂量y≥0.1时，高价态的Nb5+能够成功稳定材料的立方钙钛矿结构至室温。随着 Nb掺杂量的增加，BBCNy粉体的晶胞参数先增大后减小，而随着Ba缺陷的增加，B1-xBCN粉体的晶胞参数逐渐减小，即 BBCN0.15粉体具有最大的晶胞参数和晶胞体积。950℃下 B1-xBCNy阴极粉体与 YSZ电解质材料的化学相容性较差，而与GDC电解质材料具有优异的化学相容性。随着Nb掺杂量或Ba缺陷量的增加，B1-xBCNy阴极粉体的热膨胀系数逐渐降低。随着Nb掺杂量的增加，BBCNy的电导率逐渐减低；而随着 Ba缺陷的增加，B1-xBCN样品的电导率逐渐增加。阻抗谱研究表明Ba0.95Bi0.05Co0.8Nb0.15O3-δ具有最小的极化阻抗，即在600℃下为0.202Ω·cm2，在650℃下为0.106Ω·cm2，在700℃下为0.056Ω·cm2；BaBi0.05Co0.75Nb0.2O3-δ具有最小的活化能87.7 kJ·mol-1。由Ba0.95Bi0.05Co0.8Nb0.15O3-δ阴极材料制备的阳极支撑型单体电池Ni-YSZ|YSZ|GDC|B0.95BCN0.15在750℃下的放电功率最高1.41 W·cm-2。在280 mA·cm-2恒定电流密度下，由 BaBi0.05Co0.8Nb0.15O3-δ阴极制备的单体电池Ni-YSZ|YSZ|GDC|BBCN0.15在140 h测试时间内放电功率保持稳定。通过测定单体电池Ni-YSZ|YSZ|GDC|BBCN0.15在极化条件下的阻抗研究在一定程度上证明了阴极氧还原反应机理。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 固体氧化物燃料电池概述

1.3 中低温固体氧化物燃料电池阴极材料的发展

1.4 SOFC阴极氧还原机理

1.5 SOFC阴极材料的制备方法

1.6 本文的主要研究内容

第2章 实验材料与测试方法

2.1 实验药品和实验仪器

2.2 性能表征方法

2.3 电化学性能表征

第3章 BaBi0.05Co1-yNbyO3-δ阴极的制备及性能表征

3.1 阴极粉体的制备工艺研究

3.2 结构性能表征

3.3 电性能表征

3.4 本章小结

第4章 BaBi0.05Co0.8Nb0.15O3-δ阴极的改性研究

4.1 阴极粉体Ba1-xBi0.05Co0.8Nb0.15O3-δ的制备

4.2 结构性能表征

4.3 电性能表征

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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