论文部分内容阅读
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能量转化装置，它可以将化石能源中的能量直接转化成电能而不需要经过热循环过程，发电效率高并且环境友好。随着能源短缺与环境污染日益加剧，SOFC已经成为能源和材料领域的研究热点之一。由于传统的SOFC需要在高温(~1000℃)下操作，这对材料和技术都有较高的要求，因此降低操作温度十分必要。降低操作温度的方法通常包括降低电解质厚度、优化电池结构和制备工艺、开发新的材料等。阴极和连接材料都是固体氧化物燃料电池中的关键组件，探索新的阴极和连接材料来提高电极性能和电池材料之间的热匹配性显得尤为重要。为了探索适用于中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的阴极材料，采用柠檬酸法制备的阴极材料SmBaFe2O5+δ(SBFO)呈现层状钙钛矿结构，与SDC电解质具有良好的化学兼容性。SBCC在空气气氛中具有较高的电导率，800℃时其值为17.37Scm1。在30~1000℃SBFO的平均热膨胀系数(TEC)为12.79×10-6K–1，有效提高了它与电解质SDC和YSZ之间的热匹配性。以SBFO-SDC为复合阴极的结构为NiO-SDC/SDC/SBFO-SDC的单电池，在氢气为燃料、空气为氧化剂的条件下进行电性能测试，650℃时，电池最大功率密度为430mWcm2、极化电阻值仅为0.17Ωcm2。结构为SBFO-SDC/SDC/SBFO-SDC的对称电池进行阻抗谱测试结果表明，SBFO70-SDC30复合阴极材料的界面阻抗在650°C仅为0.74Ωcm2，以上结果表明SmBaFe2O5+δ(SBFO)是一种具有优异性质IT-SOFC阴极材料。本文采用柠檬酸法制备了SmBaCuCoO5+（δSBCC）粉体。利用X射线衍射(XRD)、电导率、热膨胀、交流阻抗谱和扫描电子显微镜(SEM)等研究了SBCC阴极材料的结构和性能。结果表明：SBCC与电解质Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)具有良好的化学兼容性；在空气中，SBCC材料具有较高的电导率，800℃时达到86.0Scm1；SBCC在30~1000℃的平均热膨胀系数为12.3×10-6K–1，与氧化钐掺杂氧化铈(SDC)、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)电解质之间热匹配性良好；结构为Ni-SDC/SDC/SBCC的单电池，以氢气为燃料、空气为氧化剂进行电性能测试，650℃时，电池最大功率密度为374mWcm2、极化电阻值仅为0.24Ωcm2。为了探索在中温条件下适用的IT-SOFC连接材料，采用柠檬酸法制备的IT-SOFC连接材料Sm1-xCaxCrO3-δ(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)，XRD检测结果显示其呈现良好的钙钛矿结构。1400°C热处理5h的粉体呈现良好的烧结性能，并且随着钙掺杂比例的升高，样品致密度和空气气氛下电导率都有所提高。Sm0.7Ca0.3CrO3-δ材料700°C在空气气氛和氢气气氛中电导率分别为29.8S·cm-1和1.68S·cm-1，表明Sm0.7Ca0.3CrO3-δ具有作为中温固体氧化物燃料电池连接材料的潜能。当x从0.1增加到0.4，Nd1-xCaxCrO3-δ在30~1000°C的平均热膨胀系数从7.34×10–6K–1增大到8.05×10–6K–1，与构成固体氧化物燃料电池的其他常用材料TEC值接近。总之，Sm0.7Ca0.3CrO3-δ比较适用于作为中温固体和氧化物燃料电池的连接材料。本文采用柠檬酸法制备了Nd1-xCaxCrO3-δ(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)粉体，研究了Ca2+的掺杂对材料烧结性能、电性能和热膨胀性能等的影响。实验表明，当测试温度为800°C时，Nd0.6Ca0.4CrO3-δ材料在空气和氢气气氛中电导率分别为56.4S·cm-1和1.6S·cm-1。在30~800°C温度范围内随着Ca2+掺杂量从0.1增加到0.4，平均热膨胀系数(TECs)值从6.5×10–6K–1增大到7.8×10–6K–1，与其它常用SOFC材料热匹配性良好。