Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ基中温燃料电池复合阴极性能研究

摘要

燃料电池是一种电化学发电装置,能高效率的将化学能直接转化成电能,并且环境友好、污染小,相对于那些依赖煤燃烧的能源系统来说,燃料电池是很有发展前景的能源。因此,近年来燃料电池的开发得到广泛的关注。燃料电池的种类很多,其中固体氧化物燃料电池(SOFC)主要以固体氧化物为电解质,具有高效率、无腐蚀、无漏液、电池安装设备简单等优点,这是其他燃料电池所欠缺的。SOFC主要由阴极、阳极、电解质和连接体构成,其中作为重要组成部分的阴极对SOFC的性能有着极大的影响。本论文主要开展了中温SOFC的阴极材料的研究工作,希望通过复合的手段来改善阴极的性能,从而提高固体氧化物燃料电池(SOFC)的输出性能。新型的阴极材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF),是一种很适合中低温SOFC使用的阴极材料,它的优点是在低温具有很高的氧扩散系数,大大降低了SOFC的运行温度,但这种阴极材料的主要缺点是电子导电率比较低,这在某种程度上限制了它的性能发挥与实际应用,为了克服它的不足,本文提出在BSCF的基础上分别加入高电导率的Sm0.5Sr0.5CoO3-δ(SSC)和Ag制成复合阴极材料,以提高电导率,达到提高阴极性能的目的。Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)-Sm0.5Sr0.5CoO3-δ(SSC)复合阴极性能的研究。采用固相混合法在Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)中复合一定比例的Sm0.5Sr0.5CoO3-δ(SSC),形成疏松多孔的复合阴极材料(BSCF-xSSC)。对复合阴极材料进行了XRD、高温电阻测试和热膨胀曲线测试;利用阻抗谱和电化学极化曲线测试研究了这些复合材料在500～800℃之间的电化学性能,确定了掺入SSC量对阴极各项性能的影响。测试结果表明,通过这种复合手段,不但提高了阴极的电导率,而且也改善了阴极的电化学性能,其中BSCF-30wt.％SSC复合阴极,在500℃附近,电导率达到176S·cm-1,大约是纯BSCF的7倍;此外,电化学阻抗谱表明,BSCF-SSC的性能明显优于纯BSCF,其中BSCF-30wt.%SSC的性能最佳,在550℃,总极化电阻仅为0.71·cm2,是BSCF的1/7。这说明BSCF-xSSC复合阴极材料比较适合作中低温SOFC的阴极。Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)-Ag复合阴极性能的研究。采用AgNO3溶液浸渍分解法和固相混合法在Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)中掺入一定量的Ag形成疏松多孔的BSCF-Ag复合阴极材料。对复合阴极材料进行了XRD、高温电阻和电化学性能等测试。电化学性能测试结果表明,采用浸渍AgNO3方法获得的BSCF-Ag复合阴极,在650℃测试,BSCF-Ag的极化电阻仅为0.36Ω·cm2,约为BSCF的27%;采用固相混合法获得的BSCF-20Ag的极化电阻为0.099Ω·cm2,约为纯BSCF的1/5,结果表明BSCF-Ag的性能也优于纯BSCF的性能。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 燃料电池的发展历程及特点

1.2 固体氧化物燃料电池介绍

1.2.1 基本概念及特点

1.2.2 工作原理

1.2.3 组件和材料

1.3 SOFC阴极材料研究进展及课题来源

1.4 本文拟研究的问题

第2章 阴极的制备及测试方法

2.1 阴极的制备

2.1.1 阴极粉体的合成

2.1.2 阴极涂层的制备

2.2 测试方法

2.2.1 成相情况和微结构测试

2.2.2 热分析测试

2.2.3 高温电性能测试

2.2.4 电极的电化学性能测试

2.2.5 单电池测试

第3章 掺SSC的BSCF复合阴极的性能研究

3.1 概述

3.2 掺SSC的BSCF复合阴极材料

3.2.1 样品的制备方法

3.2.2 XRD相结构分析

3.2.3 热重测试分析

3.2.4 热膨胀测试

3.2.5 高温电导率

3.2.6 阻抗谱分析

3.2.7 SEM结果分析

3.2.8 热循环对电极性能的影响

3.3 本章小结

第4章 掺Ag的BSCF复合阴极的性能研究

4.1 概述

4.2 浸渍Ag的BSCF复合阴极

4.2.1 样品的制备

4.2.2 XRD相结构分析

4.2.3 热重和差热结果

4.2.4 高温电性能测试

4.2.5 电化学性能测试

4.2.6 单电池测试结果

4.2.7 SEM微观结构

4.3 固相掺Ag的BSCF复合阴极

4.3.1 样品的制备

4.3.2 XRD相结构分析

4.3.3 高温电性能测试

4.3.4 热膨胀测试

4.3.5 阻抗谱测试

4.3.6 SEM微观结构

4.4 两种方法制备的阴极性能比较

4.5 本章小结

结论

参考文献

附录1 实验所需仪器

附录2 实验所需试剂

攻读学位期间发表的学术论文

致谢