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固体氧化物燃料电池(SOFC)是新型绿色能源装置之一,为促进SOFC的实用化,降低运行温度,寻找性能优良、制备工艺简单、成本低的电池材料,是发展SOFC 迫切需要解决的问题。本论文重点围绕中温SOFC的电极材料,包括阴极材料、阳极材料及其单电池的制备和性能进行研究。
目前,对SOFC 阴极材料的研究主要集中于具有混合离子电子导体的ABO3钙钛矿型氧化物,如LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ(LSCF)材料。其中,在A位上用价格便宜的非稀土元素Sr 取代La 可以降低成本,并改善材料性能,因此研究较多。
本实验尝试分别采用Sr和Fe 元素对钙钛矿型氧化物BaCoO3 在A、B位进行掺杂,以提高其性能。SOFC 阴极材料的制备方法通常采用固相反应法、共沉淀法、溶胶-凝胶法等。本论文采用一种新的软化学方法-凝胶浇注法合成出Ba0.5Sr0.5Co1-xFexO3-δ(BSCF,x=0.2,0.8)阴极材料粉末,随后经压制成形、烧结得到烧结体。试验中对BSCF 粉末和烧结体的性能进行了测试分析,并对BSCF 与SdC共烧所获得的BSCF/SdC复合粉末进行化学稳定性试验。实验结果表明:采用凝胶浇注法,经1000℃煅烧干凝胶3h,可获得具有单一钙钛矿物相的BSCF 阴极粉末,其颗粒尺寸均匀,粒度为4μm 左右。BSCF 粉体压坯在1050℃烧结可获得多孔结构的Ba0.5Sr0.5Co1-xFexO3-δ试样。BSCF 阴极材料的电导率随测试温度的升高和Fe 掺杂量的增加而降低,其中Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ在500℃电导率可达36.1S/cm;Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ
与SDC的界面阻抗在800℃为0.188?cm2;BSCF 与SdC复合粉末BSCF/SDC的化学相容性良好。
本论文还采用柠檬酸燃烧法制备了NiO/Sm0.2Ce0.8O1.9(NiO/SDC)粉体,并对其相组成和形貌等进行了测试,考察了在溶液中添加不同分散剂对所制备NiO/SDC粉体的比表面积和粒径的影响。实验结果表明,前躯体溶液中柠檬酸与金属离子摩尔比(MRCM)对燃烧后NiO/SDC粉体的粒度、比表面积等都有明显的影响。其中,MRCM=1.5时,NiO/SDC粉体中NiO与SDC晶体的粒度最大,分别为10.42nm、6.91nm,而对应粉体的分散性好,比表面积大,表面积平均径最小。此外,通过在前躯体溶液中添加不同的分散剂可改善燃烧后NiO/SDC粉体的粒度和粒度分布,其中以聚乙二醇6000对NiO/SDC粉体的分散效果最好。
为进一步考察所合成的电极材料的性能,分别以Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 作为阴极材料、SdC作为电解质、NiO/SdC为阳极材料,制备出了中温固体氧化物燃料电池单电池(NiO/SDC)//SDC//BSCF,并对其相关性能进行测试。所制备的单电池中电解质层SdC厚约为45μm。实验结果表明:单电池在700℃和800℃下开路电压分别为0.782V、0721V,输出功率分别为182.3和224.2 mW/cm2。