论文总字数：19648字

摘 要

近年来，因为高发电效率，低污染，燃料灵活性好的优点，固体氧化物燃料电池（SOFC）作为有前途的发电技术之一而备受关注。许多钙钛矿氧化物阴极材料的性能已经被考察，这些钴基的阴极都比传统的LSM阴极表现出更高的催化性能。然而，这些钴基的阴极经常会遇到一些问题，如热膨胀系数大，稳定性差和钴元素的成本高。因此，需要为中温固体氧化物燃料电池开发有良好的电催化活性的非钴基阴极。

本文采用高能球磨辅助固相法合成了La_xSr_1-XFe_0.8Nb_0.2O_3-δ (X=0, 0.1, 0.2)系列阴极材料，本实验通过X射线衍射、直流四探针法、氧气程序升温脱附测试、交流阻抗测试系统研究了La_XSr_1-XNb_0.2Fe_0.8O_3-δ系列阴极材料的相结构、电解质相容性、电导率、氧脱附和极化阻抗等。研究结果表明，LSNF系列阴极材料在1200 ^oC 20 h空气气氛的煅烧后，形成单一的立方钙钛矿结构。阴极材料在1000 ^oC、1050 ^oC下均不与SDC电解质发生相反应，表现出较好的相容性。随着La掺杂量的增加，阴极材料电导率在测试的温度区间范围内表现出增加的趋势，LSNF0.2在450 ^oC时电子电导率达50 S cm^-1。但是LSNF阴极材料的氧脱附能力与La掺杂量呈现反比关系。LSNF0.1在极化阻抗的测试中，各温度点的极化阻抗均最小，活化能也最小。综合以上，在LSNF系列阴极材料中，LSNF0.1表现出最好的电化学性能。

关键词: 固体氧化物燃料电池 阴极材料 La_XSr_1-XNb_0.2Fe_0.8O_3-δ 非钴基

Preparation and Characterization of La_xSr_1-XFe_0.8Nb_0.2O_3-δ as a Cathode Material for Solid Oxide Fuel Cells

Abstract

In recent years, solid oxide fuel cells (SOFCs) have attracted much interest as one of the promising power generation technologies because of their advantages of high power generation efficiency, low pollution and good fuel flexibility. Many perovskite-type mixed ionic–electronic conductors (MIECs) have been investigated as possible cathodes for IT-SOFCs. These cobalt-based cathodes have exhibited higher electrocatalytic performance than that of the conventional LSM cathodes. However, these cobalt-based cathodes often encountered some problems like high thermal expansion coefficient, poor stability and high cost of cobalt element. Therefore, it is desirable to develop the cobalt-free cathodes with good electrocatalytic activity for IT-SOFCs.

In this study, we propose a new Lanthanum-doped perovskite oxide, La_xSr_1-XFe_0.8Nb_0.2O_3-δ (X=0, 0.1, 0.2), as alternative material for intermediate IT-SOFCs. A high energy ball milling assisted solid-state reaction method is used for the material synthesis. The effects of La-doping on the crystal structure, compatibility of electrolyte, electrical conductivity, oxygen desorption, and polarization impedance are systematically investigated using XRD, four-probe DC conductivity, oxygen temperature-programmed desorption (O₂-TPD) and AC impedance test. The result showed that the LSNF cathode materials form an single cubic structure after calcined at 1200 ^oC for 20 h in air, and it did not reacted with the electrolyte material SDC by co-firing at 900 and1000 ^oC, indicted the good compatibility with the electrolyte material. With the La-doping amount increased, the electrical conductivity of as-synthesized materials increased at investigated temperature range, such as the electrical conductivity of LSNF0.2 reached 50 S cm^-1 at 450 ^oC in air. However, the oxygen stripping ability of the materials was in contrast with the increase in the La-doping amount. Among three cathode materials, LSFN0.1 showed best the electrochemical properties.

Keywords: Solid oxide fuel cell; Cathode materials; La_XSr_1-XNb_0.2 Fe_0.8O_3-δ; Cobalt free cathode

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 前言 1

1.1 背景 1

1.2 固体氧化物燃料电池的特点 2

1.3 固体氧化物燃料电池的工作原理 3

1.4 固体氧化物燃料电池的材料构成 4

1.4.1 阳极材料 4

1.4.2 电解质材料 5

1.4.3 阴极材料 5

1.5 本课题的研究意义及工作设想 8

第二章 实验部分 9

2.1 实验药品和仪器 9

2.2 粉体合成与电池制备 10

2.2.1 阴极粉体的合成 10

2.2.2 电解质的合成 11

2.2.3 阴极浆料的制备 11

2.2.4 对称电池的制备 11

2.2.5 双层电解质的阳极支撑型单电池的制备 11

2.3 表征方法与性能测试 12

2.3.1 X射线衍射 (XRD) 12

2.3.2 相反应 12

2.3.3 氧气程序升温脱附(O₂-TPD)的研究 12

2.3.4 电导率的测定 13

2.3.5 交流阻抗分析 13

2.3.6 单电池性能测试装置与测定方法 14

第三章 结果与讨论 15

3.1 XRD相结构分析 15

3.2 电导率 16

3.3 氧气程序升温脱附（O₂-TPD）测试 17

3.4 阴极粉体与SDC电解质粉体的相反应表征 18

3.5 电池性能研究 20

3.5.1 阻抗 20

3.5.2 单电池性能研究 21

第四章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致谢 25

第一章 前言

1.1 背景

燃料电池是一种高效、便捷和对环境友好的绿色能源装置，它的开发利用不仅能改善能源结构，而且对全球环境也会产生积极的影响。燃料电池是继水力、火力和核能之后的第四代发电技术，它是通过电化学反应方式将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置^[1-3]。传统的火力发电技术的能源转化途径是先将化学能转化为热能，再转化为机械能，最终转化为电能，能量转化率受卡诺循环限制，一般低于40%，其余能量以热或机械能浪费掉。而燃料电池在实现能量转化的过程中无需热机的燃烧过程和传动设备，由于不受卡诺循环限制，配以热电联供，能量的转化效率可达80%左右，为内燃机的2~3倍。燃料电池结构简单而且没有运动组件，工作时噪音低，其电极仅作为化学反应的场所和导电通道，本身不参加化学反应，故损耗小，寿命长。燃料电池所用燃料的选择性大，只要含有氢原子的物质都可以作为燃料的来源；其反应产物为水和CO₂，并且其产生的CO₂的排放量比火力发电厂少40%以上，因此可以有效减缓全球温室效应。同时燃料电池具有广阔的应用前景，它可用于电动汽车、家用电源、军事、航天等很大领域。所以燃料电池作为一种新兴的发电装置，受到了人们的广泛关注与重视，其有潜力在功率从几十毫瓦到几十瓦的便携式电子设备到几十兆瓦固定发电站领域都有着广泛的应用前景，被称为是21世纪的新能源及绿色能源^[2-4]。

请支付后下载全文，论文总字数：19648字