中温固体氧化物燃料电池阴极材料BaFe0.9Bi0.1-xScxO3-δ的研究

摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）能够将多种燃料的化学能直接转化为电能，是最为清洁、高效的能源之一。SOFC的中低温化是其商业化的必然趋势，而阴极材料在低温下的电化学性能是制约 SOFC发展的关键因素之一。BaFeO3具有无序的氧空位和良好的透氧性能，且铁的资源丰富，价格也相对较低。因此，本实验采用BaFeO3基钙钛矿为研究对象，通过Bi、Sc两种元素的共掺杂使其稳定在立方相，并控制Bi含量小于10 mol%。采用溶胶-凝胶法制备无钴基BaFe0.9Bi0.1-xScxO3-δ（BFBSx）阴极材料，并研究其结构和性能。
　　XRD分析结果表明 BaFe0.9Bi0.1-xScxO3-δ阴极材料的最佳制备温度为1000℃，Bi、Sc的共掺杂使BaFe0.9Bi0.1-xScxO3-δ能在室温下稳定在立方相，且随着 Sc含量的增加，晶胞体积先减小后增大再减小，即 BFBS0的晶胞体积最大。材料与SSZ的相容性较差，与GDC的相容性良好。虽然少量的Sc掺杂会使氧非化学计量比降低，但当Sc含量增加到6 mol%时氧非化学计量比反而会增加。热收缩曲线表明Sc元素的掺杂能够使材料更快达到收缩速率的峰值，表明 Sc的掺杂能够提升材料的烧结性能。热膨胀测试表明， Sc元素能在一定程度降低材料的热膨胀，50~700℃温度范围内，BFBS0.04的热膨胀系数为21.72×10-6 K-1，比相同条件下BFBS0的降低了18%。材料的导电符合小极化子导电机制。随着Sc元素掺杂含量的逐渐增加，BFBSx阴极的电子电导率先降低再升高，其中BFBS0在500℃时电导率达到最大，为9.41 S cm-1。
　　为避免阴极与SSZ电解质发生反应，采用氧化钇稳定的氧化铋Y0.5Bi1.5O3-δ（YSB）为阻挡层，并通过电化学阻抗谱测试确定电池最佳制备条件：YSB阻挡层的丝网印刷层数为2层，煅烧温度为950℃，在YSB阻挡层上阴极的最佳烧结温度为950℃。在最佳制备条件下，BFBS0.04阴极材料的阻抗值最小，750℃时为0.129Ωcm2。BFBS0.06的氧还原反应活化能为0.70 eV，远小于Fe基阴极材料的活化能；制备电池Ni-SSZ|SSZ|YSB|BFBS0.04在850℃的最大放电功率为0.93 W cm-2。
　　将BFBSx与30 wt% GDC复合制备复合阴极，BFBS0.05-GDC在YSB阻挡层上的反应活化能为0.58 eV，比BFBS0.05阴极的活化能降低了55.7%。750℃时 BFBS0.05-GDC在 YSB和 GDC阻挡层上的极化阻抗分别为0.091Ω cm2和0.119Ωcm2，比BFBS0.05阴极在相同条件下分别降低了57.5%和69.2%。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2燃料电池概述

1.3固体氧化物燃料电池

1.4中温固体氧化物燃料电池阴极材料

1.5本文主要研究内容

第2章 实验材料和测试方法

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 BaFe0.9Bi0.1-xScxO3-δ粉体的制备和物性表征

3.1 BaFe0.9Bi0.1-xScxO3-δ阴极粉体制备工艺研究

3.2 BaFe0.9Bi0.1-xScxO3-δ阴极粉体结构性能的研究

3.3组成比例对BaFe0.9Bi0.1-xScxO3-δ阴极电子电导的影响

3.4本章小结

第4章 BaFe0.9Bi0.1-xScxO3-δ阴极及电化学性能的研究

4.1电解质制备及形貌的研究

4.2阴极和电解质相容性的研究

4.3 Y0.5Bi1.5O3阻挡层的制备及表征

4.4 BaFe0.9Bi0.1-xScxO3-δ阴极在YSB阻挡层上的电化学性能研究

4.5本章小结

第5章 BaFe0.9Bi0.1-xScxO3-δ复合阴极的研究

5.1 BFBSx复合阴极的制备

5.2 BFBSx-GDC复合阴极的电化学性能表征

5.3 GDC阻挡层的制备和表征

5.4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

声明

致谢