新型钙掺杂的Y3Fe5O12阴极材料的性能研究

• 作 者: 钟韡
• 机 构: 中国科学技术大学
• 出 处: 中国科学技术大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 固体氧化物燃料电池 阴极材料 钇铁石榴石 电池性能 反应机理 速率控制步骤

以固体氧化物陶瓷为电解质的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells，SOFC)具有效率高、燃料适应性强、模块化且对环境友好等优势，成为备受瞩目的新兴能源之一。操作温度中低温化是SOFC的发展趋势，有助于提高电池的寿命，拓展连接、密封材料的选择范围等。但随着SOFC操作温度的降低，阴极材料的电化学活性急剧降低，成为制约电池性能的主要因素。另外，现有的阴极材料中高含量的Co使其热膨胀系数与电解质的热膨胀系数不匹配，使电池在升、降温过程中电解质与阴极界面处产生大的应力，严重时甚至导致阴极剥落。如何寻找热膨胀系数匹配且具有高电化学活性的阴极材料对于中低温SOFC的发展具有重要的作用。　　
本论文针对SOFC的发展需求，发展了具有适宜热膨胀系数的新型石榴石型阴极材料。其中着重探讨了钙掺杂的钇铁石榴石(Y2.5Ca0.5Fe5O12-δ，YCFO)在中低温SOFC的应用性能及反应机理。　　
第一章是研究的背景和理论基础，详细介绍了燃料电池和SOFC的起源、研究进展与应用。主要总结了SOFC的阳极、电解质和阴极材料的研究现状和发展趋势，以及阴极的反应过程。　　
第二章是实验方法和表征原理，着重介绍了在整个实验过程中选用的操作方法，包括甘氨酸-硝酸盐(GNP)粉体制备法，对称电池和单电池压制法，以及X射线粉末衍射法(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)，交流阻抗谱等样品测试表征方法与基本原理；　　
第三章是本论文的主体部分，主要关于YCFO的实验过程与结果讨论。以新材料YCFO为研究对象，详细表征了YCFO粉体的基本性质、作为对称电池电极的阻抗变化以及中温下单电池的电化学性能。研究的结论表示，含铁石榴石YCFO单相阴极的极化电阻在650℃时是9.99Ωcm2，比La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ单相阴极大一个数量级。导电性测试表明YCFO的低导电性导致其单相阴极的极化电阻大。随着Ce0.8Sm0.2O1.9离子导电相的添加，三相线的长度得到提高，YCFO基复合阴极的极化电阻快速减小，在SDC为40wt.％时达到最小值。YCFO-SDC40阴极的最小极化电阻在650℃时是0.55Ωcm2，与LSCF-GDC（40wt.％）复合阴极接近，这说明引入离子导电相对材料导电性质本身有更重要的影响。以YCFO-SDC40作为阴极，电池的最大功率密度在650℃时是438mWcm2。这些结果表明YCFO基材料有望成为中温固体氧化物材料电池的高性能阴极材料。