為解決中國正面臨的能源缺乏與環(huán)境污染問題,實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,中國需要尋找可持續(xù)能源來滿足人類生產(chǎn)生活需求。燃料電池因其高效、安全、清潔的優(yōu)勢(shì),成為可持續(xù)能源發(fā)展道路上的一個(gè)優(yōu)秀候選者。其中固體氧化物燃料電池（SOFC）以其高效率、可靠性高、優(yōu)良的環(huán)境效益等的特點(diǎn),得到眾多研究者的廣泛關(guān)注。但是,SOFC的工作溫度往往高達(dá)1000℃,對(duì)其配套設(shè)備與材料的要求較為苛刻,阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。因此,開發(fā)工作溫度為600～800℃的中溫SOFC具有重要的工程意義。而對(duì)SOFC陰極材料、陽極材料以及電解質(zhì)的開發(fā)與優(yōu)化是降低SOFC工作溫度的有效途徑。大量文獻(xiàn)表明,作為一種新型的中溫SOFC陰極材料,結(jié)構(gòu)的氧化物材料與傳統(tǒng)氧化物材料相比,擁有較好的氧離子擴(kuò)散性能、氧表面交換性能以及混合離子電子傳導(dǎo)性能,因此成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在該類型的陰極材料中,基氧化物表現(xiàn)尤為突出。本文針對(duì)中溫SOFC的開發(fā)需求,以基氧化物為基礎(chǔ),通過摻雜改性、復(fù)合、材料表征、電池組裝和單電池發(fā)電性能測(cè)試對(duì)該體系材料作為SOFC陰極的可行性進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:采用高溫固相反應(yīng)法合成Pr₂... 

【文章來源】：中國石油大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：66 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

SOFC工作示意圖[5]

第1章文獻(xiàn)綜述-6-出新的挑戰(zhàn)。由于氧還原反應(yīng)和氧離子傳導(dǎo)過程具有熱激活特性，因此降低SOFC操作溫度時(shí)，目前相對(duì)成熟的陰極材料會(huì)出現(xiàn)性能急劇下降的現(xiàn)象，其阻抗會(huì)明顯增大，不再適用該條件下的運(yùn)行系統(tǒng)。探索新型陰極材料成為發(fā)展中溫SOFC的重要任務(wù)之一。1.4SOFC陰極材料研究現(xiàn)狀目前，研究的SOFC陰極基本上是貴金屬材料、鈣鈦礦型陰極材料、雙鈣鈦礦型陰極材料和和類鈣鈦礦型陰極材料等。下面將分別介紹上面幾種SOFC陰極材料的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。（1）貴金屬材料SOFC研究初期，使用銀、鉑、鈀等貴金屬，用其做SOFC陰極材料優(yōu)點(diǎn)是有良好的吸附和催化功能。不足之處在于高溫下易揮發(fā)，可能會(huì)使電極中毒；與電解質(zhì)之間的熱匹配性差，電極易脫落；成本較高，不適于商業(yè)化，也正因?yàn)橘F金屬材料價(jià)格成本太高，很難進(jìn)入工業(yè)化階段，現(xiàn)在貴金屬材料基本已不被使用。（2）鈣鈦礦型（ABO3）陰極材料圖2.2ABO3型鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)[23]Fig.1.2CrystalstructureofaABO3perovskiteoxide[23]鈣鈦礦型氧化物，結(jié)構(gòu)通式為ABO3，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示，它也是最早被研究的SOFC陰極材料。鈣鈦礦晶體晶型結(jié)構(gòu)包括正交、菱形和四方等，A位與B位總化合價(jià)為正六價(jià)，A位陽離子半徑相對(duì)較大，與氧離子的配位數(shù)是12，通常被離子半徑較大的鑭系元素或稀土金屬陽離子所占據(jù)，B位離子半徑較小，與氧離子的配位數(shù)是6，通常被過渡金屬離子所占據(jù)[15]。當(dāng)對(duì)A位、B位金屬離子進(jìn)行部分或者全部取代時(shí)，會(huì)對(duì)材料性質(zhì)帶來影響。當(dāng)用低價(jià)態(tài)的金屬離子部分取代A位陽離子時(shí)，會(huì)打破該取代區(qū)域的電荷平衡，為了保持電中性，晶格結(jié)構(gòu)

第1章文獻(xiàn)綜述-8-[29]。這類氧化物具備較高的氧表面交換系數(shù)和較高的電導(dǎo)率。但此類鈷基化合物的熱膨脹系數(shù)也比較高，但是可通過在其結(jié)構(gòu)中摻雜其它元素來調(diào)節(jié)其熱膨脹系數(shù)的大小，同時(shí)提高陰極材料的性能。圖3.3雙鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)[29]Fig.1.3Double-layerperovskitecrystalstructure[29]xia等人[24]研究了在SmBaCo2-xNixO5+δ（SBCNx）中的Ni摻雜，其中x以0.1的間隔從0到0.5變化。該團(tuán)隊(duì)通過EDTA-甘氨酸方法合成SBCNx材料，起始原料為Sm（NO3）2，Ba（NO3）2，Co（NO3）3和Ni（NO3）3。所有合成的SBCNx材料均呈現(xiàn)單相結(jié)構(gòu)。研究表明：工作溫度在1000°C，此類材料與Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）電解質(zhì)表現(xiàn)出良好的化學(xué)相容性；此類材料電子傳導(dǎo)率隨著Ni含量的增加而降低，Ni含量最多即（x=0.5）時(shí)的SBCNx呈現(xiàn)出令人滿意的電導(dǎo)率值（在700℃下約為300S·cm-1）；此類材料具有較高的催化活性。該系列材料的熱膨脹系數(shù)隨著Ni含量的增加而降低，最小值為15.59×10-6K-1，仍高于普通電解質(zhì)材料。從以上各方面的性能看，SBCNx（x=0.1~0.5）非常有希望用作中低溫SOFC的陰極。Fu等人[25]已經(jīng)研究了A位摻雜的Pr1-xCaxBaCo2O5+δ（PCBCO），其中x從0.1變化到0.4，采用常規(guī)的固態(tài)反應(yīng)方法合成此材料，當(dāng)x=0.1~0.2時(shí)，合成的氧

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