阴极材料SrCo0.8Ti0.2-xNbxO3-δ的制备及在SOFC中的性能评价

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将化学能转换成电能的高效、环保、通用的发电装置。传统的SOFC在800℃-1000℃的高温下操作，限制了材料的选择且花费成本高，不利于商业中大规模的生产，所以降低到600℃-800℃的工作温区来探究中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)成为如今主要的发展趋势，而温度的降低会影响阴极的氧输运性能，所以探寻一种高效的阴极材料对IT-SOFC来说至关重要。在众多的阴极材料中，ABO3类的钴酸锶(SrCoO3-δ)立方钙钛矿氧化物具有极高的电导率和氧气渗透率，但它存在钙钛矿相结构不稳定的缺陷，所以本文主要运用在B位掺杂的办法来改善其性能。
　　论文利用固相法制备SrCo0.8Ti0.2-xNbxO3-δ(SCTNx)阴极粉体，然后通过XRD测试来分析它的物相结构，发现经过1150℃烧结10小时合成的SCTNx阴极粉体已形成立方钙钛矿结构，并且随Nb掺杂比例的增多，晶胞体积逐渐变大。为了探究此阴极材料和电解质SNDC的相容性，将SCTN0.1和SNDC按1∶1的比例混合研磨制得复合阴极SrCo0.8Ti0.1Nb0.1O3-δ-SNDC进行表征，从XRD图谱中看出此复合阴极只保留着电解质和单相阴极各自的物相结构，衍射峰是SCTN0.1和SNDC相的叠加，没有产生其它的杂峰，则说明了它们之间并没有产生化学反应，即此阴极粉体与电解质之间的化学相容性很好。然后用丝网印刷涂覆法制备出SCTNx/SNDC/SCTNx对称半电池，通过交流阻抗谱测试和微观形貌测试来研究烧结温度和不同的Nb、Ti的掺杂比例对此阴极的影响，表明了在850℃下烧结5小时制成的半电池的极化阻抗最小，约0.07595Ω·cm2，说明了煅烧温度对阴极的电化学性能有很大的作用，最佳的煅烧温度有利于于阴极晶粒的成长，从而使阴极具有适当的孔隙率，增加其电化学反应活性。当Nb逐渐增多时，对称电池的交流阻抗值先减小后增大，在掺杂量x=0.05时，对称电池的交流阻抗值达到最小，约为0.03665Ω·cm2，从而得出，在x=0.05，烧结温度为850℃时，得到性能最佳的SCTNx阴极材料。为进一步说明此材料的可行性，制备出了电解质支撑的单电池，测出单电池在800℃的极化阻抗为0.0905Ω·cm2，最大功率密度为268.51mW·cm-2，具有良好的电化学性能。所以，证明了SrCo0.8Ti0.2-xNbxO3-δ阴极材料是一种很有潜力的IT-SOFC阴极材料。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 燃料电池简介

1．3 国体氧化物燃料电池(SOFC)的概述

1．3．1 SOFC的工作原理

1．3．2 固体氧化物燃料电池优点

1．3．3 固体氧化物燃料电池的结构类型

1．4 SOFC的关键材料

1．4．1 电解质与阳极材料

1．4．2 阴极材料

1．5 SOFC阴极材料的概述

1．6．1 论文研究意义

1．6．2 本文研究内容

第二章 固体氧化物燃料电池SrCo0．8Ti0．2-xNbxO3-δ阴极材料的制备及性能研究

2．1 引言

2．2．1 实验材料与仪器

2．2．2 样品的合成

2．2．3 样品表征方法

2．3 实验结果与分析

2．3．1 SrCo0．8Ti0．2-xNbxO3-δ阴极材料的XRD分析

2．3．2 SrCo0．8Ti0．2-xNbxO3-δ阴极材料的交流阻抗分析

2．3．3 SrCo0．8Ti0．2-xNbxO3-δ阴极材料的微观结构

2．3．4 Ni0．9Cu0．1Ox-SNDC／SNDC／SrCo0．8Ti0．2-xNbxO3-δ单电池的性能测试

第三章 结论与展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的学术论文