【摘要】：中溫固體氧化物燃料電池(SOFC)由于其無污染,高能量轉(zhuǎn)化效率而受到人們的廣泛關(guān)注。而陰極材料作為固體氧化物燃料電池的主要組成部分一直是人們研究的熱點(diǎn)。本文以類鈣鈦礦型氧化物PrSrCoO_(4±δ)為研究對象,分別利用不同過渡金屬對B位進(jìn)行摻雜及A位進(jìn)行缺陷設(shè)計(jì)這兩個(gè)角度開展優(yōu)化,并對其進(jìn)行了詳細(xì)的物理化學(xué)性質(zhì)的表征及電化學(xué)性質(zhì)研究。主要研究內(nèi)容如下:1.采用傳統(tǒng)固相法合成了PrSrCo_(1-x)Cu_xO_(4+δ)(x=0.0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)陰極材料。利用XRD對材料的物相和高溫化學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行測試。結(jié)果表明所有組成的產(chǎn)物均為單相K_2NiF_4結(jié)構(gòu),空間群為I4/mmm。陰極材料與電解質(zhì)Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(1.95)(CGO)在1000℃具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。在100-800℃范圍內(nèi)陰極材料與CGO電解質(zhì)熱膨脹系數(shù)較匹配。Cu~(2+)的摻入提高了母體材料的電導(dǎo)率,其中PrSrCo_(0.7)Cu_(0.3)O_(4+δ)陰極材料具有最高的電導(dǎo)率,800℃時(shí)的電導(dǎo)率為206.8 S cm~(-1)對陰極極化電阻研究結(jié)果表明,PrSrCo_(1-x)Cu_xO_(4+δ)具有較高的陰極氧還原催化活性,PrSrCo_(0.7)Cu_(0.3)O_(4+δ)的極化面電阻值在700℃空氣氣氛中達(dá)到最小值0.08Ω·cm~2,與母體相比較得到了極大的優(yōu)化;陰極反應(yīng)機(jī)理研究結(jié)果表明,電極上氧還原反應(yīng)(ORR)的速率控制步驟為吸附的氧分子在電極表面解離與擴(kuò)散過程。利用PrSrCo_(0.7)Cu_(0.3)O_(4+δ)與CGO制作成的單電池在700℃以濕氫為還原劑,空氣為氧化劑的輸出測試值達(dá)到296.5 mW·cm~(-2)。2.采用固相法合成了PrSrCo_(1-x)Ni_xO_(4+δ)(x=0.0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)陰極材料。在B位鈷離子上摻雜不同濃度的鎳離子對PrSrCoO_(4+δ)陰極材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過在B位鈷離子上摻雜不同濃度的鎳離子,該體系材料的電化學(xué)性能得到了一定的優(yōu)化。對材料的物相、高溫化學(xué)相容性、熱膨脹系數(shù)、電導(dǎo)率及陰極電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征和測試。測試結(jié)果表明PrSrCo_(1-x)Ni_xO_(4+δ)系列材料均結(jié)晶為單相K_2NiF_4結(jié)構(gòu),空間群為I4/mmm并與電解質(zhì)CGO具有良好的高溫化學(xué)相容性和熱膨脹匹配性。隨著Ni離子摻雜濃度的增加,材料的電導(dǎo)率先增大后降低,在800℃最高電導(dǎo)率可達(dá)186 S cm~(-1)。PrSrCo_(0.7)Ni_(0.3)O_(4+δ)陰極材料具有較高的電導(dǎo)率,且該體系陰極材料與CGO電解質(zhì)熱膨脹系數(shù)較匹配,陰極極化電阻研究結(jié)果表明,PrSrCo_(0.7)Ni_(0.3)O_(4+δ)的極化面電阻值在700℃達(dá)到最小值0.14Ω·cm~2。進(jìn)一步考察其氧還原反應(yīng)(ORR)反應(yīng)速率控制步驟結(jié)果表明,該材料ORR反應(yīng)速率控制步驟是氧的解離、吸附與擴(kuò)散過程。利用PrSrCo_(0.7)Ni_(0.3)O_(4+δ)與CGO制作成的單電池在700℃以濕氫為還原劑,空氣為氧化劑的輸出測試值達(dá)到215.8 mW·cm~(-2)。可見,PrSrCo_(0.7)Ni_(0.3)O_(4+δ)陰極材料具有良好的催化性能。3.采用固相法合成中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)陰極材料Pr_(1-x)SrCo_(0.5)Ni_(0.5)O_(4+δ)(P_(1-x)SCN,x=0.00,0.05,0.10,0.15,0.20),并對材料的物相、熱膨脹系數(shù)(TEC)、電導(dǎo)率、電極的微觀形貌以及電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征。XRD結(jié)果表明,該材料形成單一的K_2NiF_4結(jié)構(gòu),空間群為I4/mmm,并與電解質(zhì)材料Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(1.95)(CGO)具有良好的高溫化學(xué)相容性。碘量法分析表明隨著Pr離子缺位濃度增加,P_(1-x)SCN中Co/Ni離子平均化合價(jià)隨著x的增加而升高,至x=0.10后逐漸降低,而氧空位含量逐漸升高。引入Pr離子缺位使材料的電導(dǎo)率明顯提高,其中P_(0.90)SCN在700℃空氣中電導(dǎo)率值為309 S·cm~(-1)。TEC測試結(jié)果顯示,隨著Pr缺位的增加,熱膨脹系數(shù)逐漸增大,最大值為1.51×10~(-5) K~(-1)。交流阻抗譜(EIS)測試結(jié)果表明,Pr缺位明顯降低了電極的極化阻抗值,P_(0.90)SCN陰極在700℃空氣中的極化阻抗值為0.21Ω·cm~2。電解質(zhì)支撐NiO-CGO/CGO/P_(0.90)SCN單電池在700℃最大輸出功率密度為197.8 mW·cm~(-2)。
【圖文】：

黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文音低，燃料范圍廣，使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)備狀來看，許多走在該領(lǐng)域前沿發(fā)達(dá)國家都電池，且目前看來已經(jīng)取得了相對較多的例如，目前，已在發(fā)電站、民用汽車以及力追趕國際前端發(fā)展的趨勢，從早期的單開發(fā)單體電池、疊層式電池組和民用電動(dòng)池應(yīng)用在生活各個(gè)角落的時(shí)代即將馬上到作原理及分類燃料電池的工作溫度以及不相同的電解質(zhì) 所示。

圖 1-2 固體氧化物燃料電池的工作原理示意圖Fig. 1-2 The operating principles of solid oxide fuel cells物燃料電池的組成結(jié)構(gòu)高轉(zhuǎn)換效率的純固態(tài)的能源轉(zhuǎn)換裝置，它是由電解及連接體材料組成，較高的工作溫度要求 SOFCs 。比如，為了讓電池具有更好的電導(dǎo)率、極化阻抗性，，一般要求電池的各個(gè)組件之間具有適合的熱膨與電解質(zhì)，電解質(zhì)與陰極之間的熱膨脹系數(shù)的不匹境下發(fā)生皴裂與脫落影響電池性能與壽命。再例如學(xué)性能，一般還要求電池的陽極與陰極都有一定的料和氧化劑在材料中的擴(kuò)散，另一方面可以增加相應(yīng)速度與電子傳送，這些特性要求綜合作用最終使
【學(xué)位授予單位】：黑龍江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM911.4

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本文編號：2624559