本文關(guān)鍵詞：Fe和Ni置換鈷的雙鈣鈦礦中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：固體氧化物燃料電池(SOFC)作為一種高效、清潔地將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置,在能源與環(huán)保問題日趨嚴(yán)峻的今天具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的SOFC操作溫度在1000°C左右,為了降低SOFC的制備和運(yùn)行成本,促進(jìn)其商業(yè)化發(fā)展,開發(fā)操作溫度在600-800°C的IT-SOFC已成為了科學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)。但是,對(duì)于傳統(tǒng)的SOFC電極材料,降低操作溫度通常會(huì)使極化電阻和歐姆電阻增大,導(dǎo)致電池輸出性能下降。因此,發(fā)展新型IT-SOFC電極材料至關(guān)主要,而其關(guān)鍵在于開發(fā)高性能的陰極材料。采用溶膠-凝膠法制備出Fe和Ni完全替換Co的雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)IT-SOFC的陰極材料GdBaFeNiO5+δ(GBFN),并研究了其性能。經(jīng)1150°C燒結(jié)10 h的GBFN陰極呈穩(wěn)定的四方結(jié)構(gòu),并與Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)電解質(zhì)在1000°C煅燒10 h后具有良好的化學(xué)兼容性。XPS分析表明,GBFN樣品中存在混合價(jià)態(tài)的Fe3+/Fe4+和Ni2+/Ni3+離子,無(wú)自旋態(tài)的Ni2+離子有助于降低GBFN樣品的平均熱膨脹系數(shù)(Thermal expansion coefficient,TEC)。GBFN樣品的平均TEC在30-1000°C溫度范圍為14.7×10 6 K 1,明顯低于GdBaCo2O5+δ(GdBCO)和GdBaCoFeO5+δ(GBCF)的TEC值。在400°C時(shí),GBFN樣品的導(dǎo)電性為經(jīng)歷了從類似半導(dǎo)體到類似金屬導(dǎo)電行為的轉(zhuǎn)變。Fe和Ni全部置換Co元素的方式,提高了GBFN樣品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。以SDC為電解質(zhì),Ni-SDC為陽(yáng)極,800°C時(shí)GBFN陰極的極化阻抗和單電池最大功率密度分別為0.219?cm2和287 mW cm-2。此外,采用SDC浸漬的方法改善了GBFN陰極的電化學(xué)性能,相同測(cè)試條件下GBFN陰極的極化阻抗值降低了~14.2倍,單電池最大功率密度值提高了~1.9倍,800°C時(shí)SDC浸漬3次的GBFN復(fù)合陰極的極化阻抗和單電池最大功率密度分別為0.065?cm2和515 mW cm-2。在700°C經(jīng)過(guò)20 h的穩(wěn)定性測(cè)試,以GBFN陰極和SDC浸漬3次的GBFN復(fù)合陰極制備的單電池性能衰退較少。以上結(jié)果表明,GBFN復(fù)合陰極有希望作為IT-SOFC陰極材料。Fe和Ni全部置換Co元素極大程度地降低了含Co雙鈣鈦礦材料的平均TEC,但也損害了材料的電化學(xué)性能。因此,從權(quán)衡材料的熱膨脹、穩(wěn)定性和電化學(xué)性能等多方面考慮,我們制備并研究了Fe和Ni部分置換Co的雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陰極材料GdBaCo2/3Fe2/3Ni2/3O5+δ(GBCFN)和SmBaCo2/3Fe2/3Ni2/3O5+δ(SBCFN),并對(duì)其性能進(jìn)行了研究。經(jīng)1000°C燒結(jié)10 h的GBCFN和SBCFN陰極,分別呈穩(wěn)定的四方結(jié)構(gòu)和正交結(jié)構(gòu),它們均與Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)電解質(zhì)在1000°C煅燒10 h后具有良好的化學(xué)兼容性。XPS分析表明,G(S)BCFN樣品中過(guò)渡金屬均以混合價(jià)態(tài)的Co3+/Co4+、Fe3+/Fe4+和Ni2+/Ni3+存在,無(wú)自旋態(tài)的Ni2+離子有助于降低G(S)BCFN樣品的平均TEC,與未摻雜的GdBCO和SmBaCo2O5+δ(SmBCO)材料相比,Fe和Ni共摻雜產(chǎn)生了更多的氧空位。空氣氣氛下30-900°C溫度范圍內(nèi),GBCFN和SBCFN樣品的平均TEC分別為15.2×10 6 K 1和16.3×10 6 K 1,明顯低于未摻雜或Fe在Co位單摻雜陰極材料的平均TEC值。GBCFN和SBCFN樣品的電學(xué)性質(zhì)均為小極化子導(dǎo)電模式,電導(dǎo)率分別在375°C和275°C達(dá)到了最大值,分別為24.7 S cm 1和64 S cm 1,明顯高于無(wú)Co的GBFN陰極材料的電子電導(dǎo)率。此外,熱重循環(huán)測(cè)試表明,Fe和Ni共摻雜使得SBCFN陰極具有更好的熱穩(wěn)定性。以SDC為電解質(zhì)、NiO-SDC為陽(yáng)極,800°C時(shí)GBCFN陰極的極化阻抗和單電池最大功率密度分別為0.187?cm2和317 mW cm-2,SBCFN陰極的極化阻抗和單電池最大功率密度分別為0.128?cm2和331 mW cm-2。為了進(jìn)一步提高SBCFN陰極的性能,我們制備出SmBaCo2/3Fe2/3Ni2/3O5+δ 30 wt.%Sm0.2Ce0.8O1.9(SBCFN 30SDC)復(fù)合陰極材料。研究發(fā)現(xiàn)SBCFN與SDC的復(fù)合,明顯降低了材料的TEC。在800°C時(shí)SBCFN 30SDC復(fù)合陰極的極化阻抗和單電池最大功率密度分別為0.046?cm2和531 mW cm-2。以上結(jié)果表明,SBCFN 30SDC復(fù)合陰極非常有潛力作為IT-SOFC的陰極材料。
【關(guān)鍵詞】：固體氧化物燃料電池 雙鈣鈦礦 陰極 熱膨脹 價(jià)態(tài) 穩(wěn)定性 電化學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O646;TM911.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 前言12-34
• 1.1 燃料電池簡(jiǎn)介12-13
• 1.1.1 燃料電池應(yīng)用背景12
• 1.1.2 燃料電池工作原理和分類12-13
• 1.2 SOFC概述13-20
• 1.2.1 SOFC的特點(diǎn)及發(fā)展方向13-15
• 1.2.2 SOFC陽(yáng)極材料15-16
• 1.2.3 SOFC電解質(zhì)材料16-19
• 1.2.4 SOFC連接體材料和電池堆體系19-20
• 1.3 固體氧化物燃料電池陰極材料的研究現(xiàn)狀20-32
• 1.3.1 單鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物22-27
• 1.3.2 雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物27-31
• 1.3.3 其它類型的陰極材料31-32
• 1.4 本文的研究意義和內(nèi)容32-34
• 1.4.1 研究意義32-33
• 1.4.2 研究?jī)?nèi)容33-34
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料制備及表征方法34-41
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料制備與電池組裝34-37
• 2.1.1 電解質(zhì)材料的制備34
• 2.1.2 陽(yáng)極材料的制備34
• 2.1.3 陰極材料的制備34-36
• 2.1.4 電池的制備與組裝36-37
• 2.2 實(shí)驗(yàn)表征方法37-41
• 2.2.1 X射線衍射（XRD）37
• 2.2.2 電導(dǎo)率37-38
• 2.2.3 熱重（TG）38-39
• 2.2.4 熱膨脹（TEC）39
• 2.2.5 X射線光電子能譜（XPS）39
• 2.2.6 氧含量39-40
• 2.2.7 掃描電子顯微鏡（SEM）40
• 2.2.8 電化學(xué)阻抗40
• 2.2.9 單電池性能40-41
• 第三章 GdBaFeNiO_(5+δ)陰極材料的研究及其性能優(yōu)化41-62
• 3.1 前言41-43
• 3.2 GdBaFeNiO_(5+δ)陰極材料的研究及其性能優(yōu)化43-60
• 3.2.1 晶體結(jié)構(gòu)、氧含量和化學(xué)兼容性43-47
• 3.2.2 XPS47-48
• 3.2.3 電子電導(dǎo)率48-49
• 3.2.4 熱膨脹行為49-51
• 3.2.5 阻抗和微觀結(jié)構(gòu)分析51-56
• 3.2.6 單電池性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性56-60
• 3.3 本章小結(jié)60-62
• 第四章 Gd(Sm)BaCo_(2/3)Fe_(2/3)Ni_(2/3)O_(5+δ)陰極材料的研究及性能優(yōu)化62-89
• 4.1 前言62-63
• 4.2 Gd(Sm)BaCo_(2/3)Fe_(2/3)Ni_(2/3)O_(5+δ)陰極材料的性能研究63-87
• 4.2.1 晶體結(jié)構(gòu)、氧含量和化學(xué)兼容性63-68
• 4.2.2 XPS分析68-71
• 4.2.3 電子電導(dǎo)率71-75
• 4.2.4 熱學(xué)性質(zhì)75-79
• 4.2.5 電化學(xué)阻抗和SEM79-84
• 4.2.6 單電池性能和SEM84-87
• 4.3 本章小結(jié)87-89
• 第五章 結(jié)論與展望89-92
• 5.1 結(jié)論89-91
• 5.1.1 Fe和Ni完全置換Co的GBFN陰極材料89-90
• 5.1.2 Fe和Ni部分置換Co的GBCFN和SBCFN陰極材料90-91
• 5.2 創(chuàng)新點(diǎn)91
• 5.3 展望91-92
• 參考文獻(xiàn)92-105
• 作者簡(jiǎn)介及科研成果105-107
• 致謝107

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 劉新福,孫以材,劉東升;四探針技術(shù)測(cè)量薄層電阻的原理及應(yīng)用[J];半導(dǎo)體技術(shù);2004年07期

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  本文關(guān)鍵詞：Fe和Ni置換鈷的雙鈣鈦礦中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：316793