IT-SOFC陰極材料LSM-BSCF的制備與性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）作為一種可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)，具有潔凈、高效和環(huán)保的優(yōu)點，在能源枯竭的21世紀(jì)具有很好的應(yīng)用前景。為了實現(xiàn)固體氧化物燃料電池的商業(yè)化，必須將傳統(tǒng)固體氧化物燃料電池的工作溫度降低至600-800℃。降低工作溫度能提高電池材料的可靠性及穩(wěn)定性，降低電池運行的成本。然而，降低工作溫度同時會大幅度降低電極的催化活性，因此開發(fā)中低溫下催化活性及穩(wěn)定性都較好的電極材料成為當(dāng)前中溫固體氧化物燃料電池（IT-SOF

2、Cs）研發(fā)的重點。
　　La0.8Sr0.2MnO3-δ（LSM）是目前研究較為成熟的高溫SOFC陰極材料，它具有高催化活性，高電子電導(dǎo)率，與常用電解質(zhì)YSZ熱膨脹系數(shù)匹配及高穩(wěn)定性等特點。但是，由于LSM幾乎是一個純電子導(dǎo)體，隨著溫度降低，它的極化電阻迅速增大，限制了其在IT-SOFCs中的應(yīng)用。Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ（BSCF）是一個混合電子離子導(dǎo)體（MIEC），因它在中低溫下優(yōu)越的電化學(xué)性能而被廣泛

3、的用于IT-SOFC陰極材料的研究，但是與LSM相比，其電子導(dǎo)電率較低，化學(xué)穩(wěn)定性較差，不適合長期運行。針對這種情況，本文在LSM中添加BSCF制備LSM/BSCF復(fù)合電極，探索了不同質(zhì)量計量比的傳統(tǒng)復(fù)合陰極LSM+BSCF作為中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的可能性，并通過固溶包覆法制備LSM-BSCF復(fù)合電極，優(yōu)化電極性能，穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)。
　　本文采用溶膠-凝膠法制備了LSM、BSCF粉體，并探索了螯合劑的選擇、PH值的調(diào)節(jié)以及

4、煅燒溫度對粉體合成工藝的影響。通過XRD物相分析表示所制備的粉體均含有純凈的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且LSM和BSCF在1000℃及以下具有很好的化學(xué)相容性。通過絲網(wǎng)印刷法制備了BSCF陰極，通過SEM、EIS以及電流極化穩(wěn)定性測試，說明BSCF陰極在中低溫下極化電阻較小，具有很好的電化學(xué)性能，但是在陰極電流極化下，BSCF結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致其電極性能極大的衰減，650℃，-200mA cm-2的陰極電流下，其極化電阻在60min內(nèi)由0.32Ωcm2

5、增大至0.8Ωcm2。
　　采用傳統(tǒng)復(fù)合方法制備了具有不同質(zhì)量計量比的LSM+BSCF復(fù)合陰極，通過EIS分析得到當(dāng)LSM與BSCF的質(zhì)量比為50wt％：50wt％時，極化電阻最小，600、650、700、750℃下分別為0.99、0.51、0.24和0.11Ωcm2。結(jié)合SEM和電流極化測試分析了LSM5+BSCF5復(fù)合陰極在極化320min前后的微觀結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能，650℃，-200mA cm-2的陰極電流下，其極化電阻由0

6、.51Ωcm2增大至2.2Ωcm2。
　　結(jié)合傳統(tǒng)復(fù)合陰極LSM5+BSCF5的電極結(jié)構(gòu)及性能，本文提出了使用固溶包覆法制備LSM包覆BSCF的質(zhì)量比為50wt％：50wt％的LSM-BSCF復(fù)合粉體，并采用絲網(wǎng)印刷法制備LSM-BSCF陰極，采用XRD、XRF分析其相結(jié)構(gòu)及元素組成，在1000℃煅燒2h后得到純凈的LSM、BSCF和GDC相，且其中LSM和BSCF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為50wt％，說明使用固溶包覆法可以制備出具有精確比例

7、的復(fù)合粉體。
　　通過電流極化測試前后微觀結(jié)構(gòu)分析可知，LSM顆粒包覆在BSCF的表面，不僅減小了BSCF暴露在空氣中的面積，緩解它的CO2中毒現(xiàn)象，還能夠有效地抑制BSCF顆粒在高溫電流極化下長大燒結(jié)的缺點，從而保持電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。600℃、650℃、700℃和750℃下LSM5-BSCF5復(fù)合陰極的極化阻抗值分別為0.61、0.44、0.18和0.09Ω cm2，導(dǎo)電活化能為92KJ/mol。在650℃、-200mA/cm2的