PrBaCo2-xNixO5+δ基固體氧化物燃料電池復(fù)合陰極材料研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）作為一種新能源技術(shù)，具有環(huán)保潔凈高效等優(yōu)點，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注。在800-1000?C運行的高溫SOFC對材料的選擇，相鄰材料之間的熱匹配和化學(xué)相容性，電極的燒結(jié)和電池的機械性能等要求較高，在500-800?C運行的中溫固體氧化物燃料電池（IT-SOFC）可以降低這些要求以降低成本，但是運行溫度的降低將導(dǎo)致陰極的極化電阻成為內(nèi)阻的主要來源，因此研究適用于IT-SOFC的陰極材料具有十分重要的意義。

2、>　　PrBaCo2O5+δ（PBCO）具有電子和氧離子混合導(dǎo)電性，將其作為IT-SOFC的陰極材料，在中溫區(qū)具有良好的氧擴散性能，化學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。但是，鈷酸鹽材料的熱膨脹系數(shù)（TEC）一般較大，與電解質(zhì)材料的熱匹配情況不好。通過在Co位摻雜Ni制備PrBaCo2-xNixO5+δ（記作PBCN）陰極材料，以及在 PBCN陰極材料中摻入電解質(zhì)材料制備 PBCN04-SDC（x=10％-50wt%）材料復(fù)合陰極兩種方法，希望可以降

3、低其TEC，改善其與電解質(zhì)的熱匹配情況。
　　本文分別采用EDTA-檸檬酸聯(lián)合絡(luò)合法和檸檬酸溶膠凝膠法成功制備了陰極材料PBCN和電解質(zhì)材料Sm0.8Ce0.2O1.9（SDC）。高溫電導(dǎo)率的測試發(fā)現(xiàn)在100°C到200°C溫區(qū)內(nèi)，PBCN樣品出現(xiàn)半導(dǎo)體到金屬導(dǎo)電規(guī)律的轉(zhuǎn)變。并且，Ni的摻雜提高了PBCN樣品的電導(dǎo)率，PBCN03樣品的電導(dǎo)率達到最高。熱膨脹性質(zhì)的測試發(fā)現(xiàn)，Ni的摻入沒有明顯降低PBCN材料的工程熱膨脹系數(shù)（t-T

4、EC）。以SDC材料為電解質(zhì)，以PBCN樣品為陰極制備了對稱電池，進行交流阻抗譜測試，發(fā)現(xiàn)Ni的適量摻雜降低了陰極的極化電阻，PBCN04樣品的極化電阻最小，在700°C下，其極化電阻大約為0.07Ω?cm2。當(dāng)Ni的摻雜量x=0.5時，其極化電阻反而增大。
　　在PBCN系列陰極材料中，PBCN04樣品的電導(dǎo)率較高，在800°C下可以達到325 S?cm-1；其在30-900°C區(qū)間的TEC較小，為20.33×10-6 K-1；

5、XRD測試結(jié)果表明，PBCN04樣品與SDC樣品在制備溫度下化學(xué)相容性很好。因此，在純相的PBCN04陰極材料中摻入 SDC電解質(zhì)材料，制備了復(fù)合陰極材料 PBCN04-xSDC（x=10%-50wt%）。高溫電導(dǎo)率的測試發(fā)現(xiàn)，隨著 SDC摻入量的增加，復(fù)合陰極的電導(dǎo)率逐漸降低，電導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律與純相的陰極材料的基本一致。熱膨脹性能的測試表明，復(fù)合陰極的TEC有明顯降低，PBCN04-50SDC的TEC為16.91×10-6 K-

6、1，這有利于改善陰極與電解質(zhì)之間的附著情況。交流阻抗譜的測試結(jié)果表明，隨SDC量的增加，復(fù)合陰極的極化電阻先減小后增大，PBCN04-30SDC極化電阻最小，在700?C下大約只有0.05Ω?cm2。
　　綜合上述測試，選擇性能較好的PBCN04-30SDC復(fù)合材料作為陰極，制備了單電池，測試了其功率密度等性能。以SDC為電解質(zhì)的單電池在700°C下，功率密度可以達到367 m?Wcm-2。以 YSZ為電解質(zhì)，帶有SDC中間層的單