双钙钛矿结构固体氧化物燃料电池阴极材料的性能

【摘要】： 降低固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作温度至500～800oC会大大降低电池的成本,加快其的商业化进程。但温度的降低也明显降低了阴极的性能。因此开发中低温高性能阴极材料具有重要意义。 本论文主要研究了两类双钙钛矿材料LnBaCo_2O_(5+δ)和LnBaCuMO_(5+δ)(Ln是稀土元素)的物理与化学性能,论证了这类材料作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料的可行性。 用固相反应法制备了LnBaCo_2O_(5+δ) ( Ln=Pr, Nd, Sm, Gd ) ( LnBCO )阴极材料。LnBCO阴极材料与常用的电解质SDC和LSGM具有很好的化学兼容性。LnBCO的热膨胀系数也随稀土离子半径减小从Pr到Gd依次降低,从PBCO的21.5×10-6 K-1降到GBCO的17.6×10-6 K~(-1)。LnBCO阴极均具有高的电导率,在中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的工作温度范围内电导率均在300 S cm-1以上。700oC时LnBCO阴极在LSGM电解质上的阴极极化电阻均小于0.15Ωcm2,800oC时单电池功率密度最小值均高于661 mW cm~(-2)。 用固相反应法制备出LnBaCuMO_(5+δ) (Ln=La, Gd;M=Fe, Co)阴极材料。LBCF,LBCC和GBCC材料均与SDC电解质化学兼容。在IT-SOFC的工作温度范围内,LBCF材料的电导率为71-157 S cm-1,LBCC材料的电导率为291-408 S cm-1,GBCC材料的电导率为20-58 S cm-1。LBCF,LBCC和GBCC三种材料在30-850oC温度范围内的平均热膨胀系数分别为17.0×10~(-6) K~(-1),18.3×10-6 K~(-1)和15.1×10-6 K~(-1)。LBCF,LBCC和GBCC三种材料在SDC电解质上的界面极化电阻在750oC时分别为0.11Ωcm~2,0.06Ωcm~2和0.13Ωcm~2,均表现出了好的阴极电催化性能。以这三种材料为阴极的单电池, 800oC时最大功率密度分别达到了557 mW cm~(-2),603 mW cm~(-2)和528 mW cm~(-2)。上述两类阴极与SDC组成的复合阴极材料也呈现出良好的性能。