论文部分内容阅读
当前,固体氧化物燃料电池（SOFC）凭借着污染小,转化效率高等优点成为了新一代的储能装置。然而,传统的燃料电池运行时可能存在很多问题。例如,电池在长期运行时材料稳定性逐渐衰退,电池的循环寿命也会降低,进而影响其商业价值。阴极材料是燃料电池组件中最重要的一部分。因此,开发高催化活性的SOFC阴极材料已经成为了海内外学者的研究热点。本文通过传统高温固相反应法合成了Bi0.5Sr0.5Fe1-xTaxO3-δ（BSFTax,x=0-0.10）,Bi0.5Sr0.5Fe1-xTixO3-δ（BSFTix,x=0.05-0.20）,Bi0.5Sr0.5Fe1-xZrxO3-δ（BSFZrx,x=0.05-0.15）B位掺杂的单钙钛矿阴极材料。本论文的主要研究内容与实验结果如下:1.BSFTax氧化物是一类具有简单立方钙钛矿相的阴极材料。BSFTax阴极材料与电解质(Ce0.9Gd0.1O1.95,CGO)之间具有良好的高温化学相容性。在700°C时,BSFTa0.10阴极的极化电阻（Rp）为0.128Ωcm2,以BSFTa0.10为阴极的单电池输出功率密度高达1.36 W cm-2。氧还原反应机理研究发现,氧分子在电极表面的吸附-解离过程是BSFTax电极主要的速率控制步骤。加之,研究发现随着高酸性Ta含量的增加,材料的平均金属键能逐渐增大,材料展现出优异的CO2耐受性。2.制备的BSFTix材料与电解质有着优异的高温化学相容性。通过对特征电容与弛豫频率的分析,可以发现氧气的吸附-解离过程是BSFTi0.15电极上的主要控制速率步骤。在700°C时,以BSFTi0.15为阴极的对称半电池的极化电阻为0.085Ωcm2,以BSFTi0.15为阴极组装的单电池输出功率密度高达1.41 W cm-2。在0.422V恒压下,单电池在经过90 h的运行后功率密度稳定在1.41 W cm-2左右,说明该电池具有很好的长期稳定性。通过CO2耐受性的研究证明,Ti掺杂的BSFTix材料具有较高的CO2耐受性。3.本章以高价态的Zr取代B位Fe来制备出BSFZrx阴极材料。在700°C空气气氛下,以BSFZr0.10为电极的极化电阻为0.118Ωcm2,以BSFZr0.10为阴极单电池的功率密度为1.17 W cm-2。不同氧分压下的阻抗谱分析测试发现,氧气的吸附-解离和电荷传输过程为BSFZr0.10电极上的反应控制步骤。高酸性的Zr离子的掺杂与相对较大的ABE值提高了BSFZr0.10材料的CO2耐受性和化学稳定性。本论文以高价态金属Ta,Ti和Zr掺杂来调控SOFC阴极的电化学性能。研究发现,B位掺杂高价态金属不仅能增加材料的电化学性能,同时也能提高材料的化学稳定性。Bi0.5Sr0.5Fe O3-δ基钙钛矿材料是一类具有应用前景的IT-SOFC的阴极材料。