IT-SOFC阴极材料的制备与应用

【摘要】燃料电池是一种高效、无污染的能量转化装置。从原理上讲，燃料电池不受卡诺循环的限制，有能量转化效率高(可达50%-80%)和环境友好(很低的有害气体和噪声污染)等传统热机从本质上无法比拟的优点。中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)由于其工作温度较低(500℃～800℃)，增大了电池材料的可选择性，降低了电池元件的制作难度，改善了电池长期工作的可靠性，因此研究和探索新型中温阴极材料及其合成方法对于研究和开发中温SOFC具有重要的意义。本文以混合稀土氧化物取代价格昂贵的纯氧化镧原料，利用共沉淀法合成了Ln0.7Sr0.3Co1-yFeyO3-δ(y=0.1~0.5)系阴极材料，并对其结构及电性能进行了初步研究，对降低阴极材料工业化生产的成本进行了有益的探索。实验结果研究表明：1100℃烧结4h合成的Ln0.7Sr0.3Co1-yFeyO3-δ系阴极材料其体系并非单一钙钛矿相，而是CeO2立方萤石相与钙钛矿相共存。离子尺寸、晶体结构、电价等因素的影响使得体系中其余的Ce主要还是以+4价的CeO2形式存在。在空气气氛下用直流四探针法测量了烧结样品从室温到800℃内的电导率，发现该体系的阴极材料在低温段的Arrhenius曲线近视直线，符合小极化子导电机理，样品的电导率随温度的升高而出现最大值。在低温段电导率迅速增减还有一个重要的原因就是Co3+离子自身发生歧化，Co3+离子的歧化反应始于200℃左右，而且由于引入了取代离子Sr2+后歧化反应的起始温度还会降低，因此可以得出，Ln0.7Sr0.3Co1-yFeyO3体系的电导率在300℃以前随测试温度的升高而快速增大，主要是由于Co3+的歧化产生了额外的载流子所致。在高温段氧空位的电荷补偿作用逐渐形成，电荷补偿成为以离子补偿为主，使得体系中小极化子载流子的浓度降低，同时体系中含有Ce3+，随着温度的升高，Ce3+向Ce4+的转变会消耗掉部分氧空位，从而补偿了Sr2+掺杂引起的体系电荷不平衡效应，使得材料由Co3+离子变价形成的导电空位数较少，因而电导率降低。Fe3+离子的半径(0.65)大于Co3+离子半径(0.61)，使得低Co/Fe比例样品的径向收缩率明显小于高Co/Fe比例样品。由于Co3+离子的自身歧化，使得低Co/Fe比例样品的收缩率的变化率明显小于高Co/Fe比例样品。
【作者】唐旭；
【导师】高文元；
【作者基本信息】大连工业大学，材料加工工程，2008，硕士
【关键词】燃料电池；钙钛矿；电导率；IT-SOFC；

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