新型itsofc復(fù)合陰極材料的制備及性能研究

1、PreparationandcharacterizationofthenewcompositecathodematerialsforITSOFCADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBY腸LiweiSupervisedbyProfSunYuemingSchoolofChemistryandChemicalEn

2、gineeringSoutheastUniversityApril2010Abstract摘要固體氧化物燃料電池岡具有高效、低污染等優(yōu)點(diǎn)引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，陰極材料是固體氧化物燃料電池中極其重要的組成部分。本文采用鈣鈦礦氧化物GdxSrl_xC0035(x=o9加5)作為陰極材料，將其與電解質(zhì)Ce08Smo2019(SDC)和C0304組成GSCSDC和GSCSDCC0304一系列復(fù)合陰極，并對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行了研究。采用甘氨酸硝

3、酸鹽燃燒(ONP)法合成了GdxSrlxC003x=o9~o5)以及SDC，XRD圖譜表明GdxSrlxC003x=09~o5)在900℃燒結(jié)4h后已經(jīng)形成立方鈣鈦礦相，而SDC在700℃焙燒4h后形成立方螢石相。采用寅流四電極法對(duì)GdxSrl。C003x=09~o5)和SDC燒結(jié)體的電導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)量，GdxSrlxC003x=o9加5)的電子傳導(dǎo)符合小極化子導(dǎo)電機(jī)理，其中Gdo8Sro2C003_s(：osc)在中高溫區(qū)間擁有最高的電

4、導(dǎo)率，850。C時(shí)電導(dǎo)率達(dá)到了373Scm一；而SDC在測(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)的電導(dǎo)活化能為0。62eV，在750℃的電導(dǎo)率為00742Scm1。將GSC與SDC以不同的質(zhì)量比混合制備成復(fù)合陰極，通過(guò)GSCSDC生坯的燒結(jié)曲線(xiàn)得出1100℃是復(fù)合陰極的最佳燒結(jié)溫度，從燒結(jié)體的SEM圖可以看出GSC和SDC晶粒都得到了良好的生長(zhǎng)，平均顆粒大小為lOllm，并且顯示出了多孔結(jié)構(gòu)。在301000℃溫度范圍內(nèi)，GSC與SDC的熱膨脹系數(shù)分別為23110

5、6K1和11210乍一，而在GSC中分別加入20％和50％質(zhì)量比的SDC后，復(fù)合陰極的熱膨脹系數(shù)分別降為195X1曠K1和134XlO’6K1，改善了陰極與電解質(zhì)熱膨脹系數(shù)不匹配的問(wèn)題。以GSC—SDC為陰極，SDC為電解質(zhì)制備了半電池，半電池的交流阻抗譜表明隨著SDC在陰極中質(zhì)量比的提高，阻抗譜中低頻半圓逐漸變小，高頻的半圓逐漸占據(jù)著主要地位，意味著此時(shí)的電極控制步驟為氧離子由電極向電解質(zhì)傳輸?shù)倪^(guò)程，GS64半電池具有最小的極化電阻，

6、其在750℃時(shí)的極化電阻為0289Qcm2。隨著測(cè)試溫度的降低，極化電阻也逐漸增加，此時(shí)低頻弧占據(jù)著主導(dǎo)地位，主要的速率控制步驟與氧擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)。本文設(shè)計(jì)了NiOSDCISDCIGSCSDC和NiOSDClSDClGSC—SDCC0304兩種不同陰極的單電池。以H2為燃料，測(cè)試了單電池在600～750℃下的電性能和開(kāi)路條件下的阻抗。結(jié)果表明：在以GSCSDC為陰極的單電池中，隨著陰極中SDC的含量的增大，單電池的電性能也隨之提高，當(dāng)GS

7、C與SDC的質(zhì)量比為6：4時(shí)，此時(shí)單電池性能達(dá)到了最優(yōu)，750℃時(shí)的最高功率密度為330mW／cm2，極化電阻為0195Qcmz；在以GSCSDCC0304為陰極的單電池中，GSC和SDC的質(zhì)量比同定為6：4，而隨著陰極中C0304含量的增大，單電池的電性能又能得到進(jìn)一步的提高，在所測(cè)樣品中，當(dāng)陰極組成是GSCSDC和C0304的質(zhì)量比為7：3時(shí)，電池電性能的達(dá)到最優(yōu)，其在750℃時(shí)的最大功率密度為518mW／cm2，極化阻抗為0096