【摘 要】
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固体氧化物燃料电池（SOFC）是具备诸多优势的二次清洁能源,但其高温工作环境引发一系列问题迫使中低温化成为其发展的需要。阴极材料对于SOFC的性能起着至关重要的作用,中低温化的关键则转为寻求新型阴极材料。而阴极材料的发展面临稳定性、高性能和热匹配性等参数难以同时满足的问题,同时,阻隔层增加了电池成本。本文以钴基钙钛矿材料La0.6Sr0.4Co O3-δ（LSC）与Ce O2基电解质材料Ce0.8
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固体氧化物燃料电池（SOFC）是具备诸多优势的二次清洁能源,但其高温工作环境引发一系列问题迫使中低温化成为其发展的需要。阴极材料对于SOFC的性能起着至关重要的作用,中低温化的关键则转为寻求新型阴极材料。而阴极材料的发展面临稳定性、高性能和热匹配性等参数难以同时满足的问题,同时,阻隔层增加了电池成本。本文以钴基钙钛矿材料La0.6Sr0.4Co O3-δ（LSC）与Ce O2基电解质材料Ce0.85Sm0.075Nd0.075O2-δ（SNDC）混合作为复合阴极材料,研究了其化学相容性、烧结温度、复合比例以及在电池上的性能表现,也初步探索了新型无钴型尖晶石材料Cu1.4Mn1.6O4（CMO）粉体合成工艺,CMO与Y2O3稳定的Zr O2（YSZ）复合阴极在电池上的应用,论文主要工作与结果如下:首先通过固液复合法合成了纯相LSC和SNDC纳米粉体,两者在950℃以下化学兼容性良好。改变LSC-SNDC混合粉体中SNDC含量占比,热行为结果显示LSC-SNDC（50:50 wt%,LSC50）具有最低热膨胀系数12.3×10-6k-1。在对称电池上研究了烧结温度和质量比对电化学性质的影响,结果在950℃下烧结的LSC50阴极获得最低极化电阻,Rp值在650℃下为0.1107Ω·cm~2。研究了Ce0.9Gd0.1O1.95（GDC）和SNDC两种阻隔层与阴极材料的匹配性,结果表明在中低温下,GDC相比SNDC阻隔层表现出与LSC-SNDC匹配性更大的潜力,LSC50在950℃烧结时具有较优异的性能表现。探究了该复合阴极在单电池水平上的放电性能以及长期稳定性。LSC50在GDC阻隔层上放电性能和欧姆电阻均优于SNDC,与极化电阻测试结果相一致;氢气作为燃料,以为GDC阻隔层的纽扣电池650℃时其最大功率密度达到585 m W·cm-2,耐久性测试450h后结果为衰减率为0.6%/kh,满足阴极材料的稳定性要求;在中空平管电池水平上,750℃时的最高功率密度为173 m W·cm-2,最大功率为12.275W。测试前平管电池的孔隙度约为15%、还原后为25%,达到电极材料传输物质的多孔性要求。以上结果进一步验证了LSC50复合阴极在电池水平上的突出表现。因此,本工作开发的新型LSC-SNDC复合材料具有应用IT-SOFCs阴极材料的希望。为降低电池制作成本,也对新型无阻隔层尖晶石材料Cu1.4Mn1.6O4（CMO）及其与Zr O2基电解质材料在IT-SOFC中的作出了初步探索,分别采用乙酸-丙烯酸法和固-液复合法合成了CMO纳米粉体,并测试了其线性热膨胀系数和电子电导率,其值分别为9.6×10-6K-1和51 S·cm-1。将粉体配成浆料并分别制备对称电池和纽扣电池。结果表明乙酸-丙烯酸法制备的粉体最佳复合比例和烧结温度分别为CMO-8YSZ=50:50wt%和950℃,该条件下测得电池阴极极化电阻在650℃时为3.80Ω·cm~2;在相同工况下,固-液复合法制备粉体的单阴极和CMO-YSZ=50:50wt%复合阴极的极化电阻分别为8.18Ω·cm~2和9.249Ω·cm~2。纽扣电池测试结果显示,固-液复合法制备的粉体复合阴极在650℃的最大功率密度为123 m W·cm-2。
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