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中温固体氧化物燃料电池钴基钙钛矿结构阴极材料性能研究

熊明文  
【摘要】:固体氧化物燃料电池研究的主要目标之一是降低操作温度到中温范围(500-700℃),这样不仅可以改善电池组成材料的适配性、延长电池的使用寿命,而且可以降低操作成本,但随着电池工作温度的降低,阴极的极化损失增加会导致电池的性能急剧下降。因此,开发高氧还原活性的阴极材料、降低阴极极化阻抗对中温固体氧化物燃料电池来说至关重要。本文系统地研究了具有钙钛矿结构的DyBaCo_2O_(5+δ)、不同元素掺杂的DyBaCo_2O_(5+δ)、 SrCo_(1-x)Ga_xO_(3-δ)和Pr_xSr_(1-x)Co_(0.9)Nb_(0.1)O_(3-δ)等钴基材料的物理及电化学性能,旨在寻找热稳定性高且电化学性能好的适合中温固体氧化物燃料电池的阴极材料。 分别采用EDTA-柠檬酸法和乙醇超临界干燥辅助EDTA-柠檬酸法制备了DyBaCo_2O_(5+δ)阴极材料并作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料进行了考察。SEM照片显示EDTA-柠檬酸法制备的DyBaCo_2O_(5+δ)粉体呈现球状颗粒,而乙醇超临界干燥辅助EDTA-柠檬酸法制备DyBaCo_2O_(5+δ)粉体具有小颗粒组成的绵状结构。650℃时分别以上述两种粉体为阴极材料的单电池的峰值功率密度达到436和529mW cm-2,说明乙醇超临界干燥辅助EDTA-柠檬酸法制备的DyBaCo_2O_(5+δ)材料的性能更好。 为了进一步提高DyBaCo_2O_(5+δ)的电化学性能,采用EDTA-柠檬酸法分别合成了Dy、Sr和Cu掺杂的Dy1.10BaCo_2O_(5+δ)、DyBa_(0.5)Sr_(0.5)Co_2O_(5+δ)和DyBaCoCuO_(5+δ)氧化物材料,并考察了掺杂对DyBaCo_2O_(5+δ)的结构、热膨胀性能、导电性、材料的表面电子结构和电化学性能的影响。结果表明:Dy1.10BaCo_2O_(5+δ)、DyBa_(0.5)Sr_(0.5)Co_2O_(5+δ)和DyBaCoCuO_(5+δ)均具有正交钙钛矿结构,与电解质具有良好的化学兼容性,而且材料表面上吸附氧的浓度均高于DyBaCo_2O_(5+δ);30~800℃内Dy1.10BaCo_2O_(5+δ)、DyBa_(0.5)Sr_(0.5)Co_2O_(5+δ)和DyBaCoCuO_(5+δ)的平均热膨胀系数分别为15.9×10~(-6)、18.2×10~(-6)和15.8×10~(-6)K~(-1);与DyBaCo_2O~(5+δ)相比,Dy1.10BaCo_2O_(5+δ)和DyBaCoCuO_(5+δ)的电导率降低,但DyBa_(0.5)Sr_(0.5)Co_2O_(5+δ)的电导率明显增加。上述三种掺杂型材料中,DyBa_(0.5)Sr_(0.5)Co_2O_(5+δ)具有最高电导率和最小极化面电阻,说明掺杂Sr是一种降低阴极极化阻抗、提高氧催化活性的有效方法。 通过EDTA-柠檬酸法合成了SrCo_(1-x)Ga_xO_(3-δ)系列材料并作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料进行了评价。结果表明,试样均为钙铁矿结构,随着Ga~(3+)含量的增加,热膨胀系数、电导率和阴极材料表面的吸附氧逐渐减小。以面电阻最小的SrCo0.8Ga0.2O3-δ材料为阴极的单电池在650℃时的峰值功率密度为484mWcm-2。 采用传统的固相反应法合成了Pr_xSr_(1-x)Co_(0.9)Nb_(0.1)O_(3-δ)系列材料并对其物理性质及电化学性能进行了考察。结果表明,试样均为钙钛矿结构,材料的电导率和面电阻随着Pr~(3+)含量的增加而减小。以面电阻最小的Pr_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.9)Nb_(0.1)O_(3-δ)材料为阴极的单电池在650℃时的峰值功率密度为1009mW cm~(-2)。


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