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Pr1.6Sr0.4NiO4基固体氧化物燃料电池阴极性能研究

Pr1.6Sr0.4NiO4基固体氧化物燃料电池阴极性能研究

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作者：李婷婷哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

固体氧化物燃料电池(SOFC)是所有燃料电池中能量转化效率最高的一种能量转换装置,相对于其他燃料电池体系,其具有全固态的结构、无漏液、无污染、便于安装及携带等优点,是目前被广泛关注的一种新型能源。目前制约其发展的因素主要有两方... 详细信息

固体氧化物燃料电池(SOFC)是所有燃料电池中能量转化效率最高的一种能量转换装置,相对于其他燃料电池体系,其具有全固态的结构、无漏液、无污染、便于安装及携带等优点,是目前被广泛关注的一种新型能源。目前制约其发展的因素主要有两方面:其一是用于SOFC主要部件的材料造价较高;其二是SOFC往往工作在800-1000°C的高温区,这样高的温度既会造成热能的浪费又会提高对SOFC各部件材料选择的要求,所以目前对SOFC的研究主要集中在材料的选择上和降低工作温度上。固体氧化物燃料电池主要部件包括电解质、阴极、阳极。其中阴极部分是氧化气发生还原反应的场所,阴极材料选择是否合适对整个SOFC系统起着至关重要的作用。传统的SOFC中阴极材料多为钙钛矿结构的ABO3型氧化物,其中A位多为稀土金属元素,B位多为过渡族金属元素。这类材料中以LaSrMnO(LSM)在SOFC中应用最多,其在高温区具有良好的导电性,如在1000度时极化电阻仅为几欧姆,但随着工作温度的降低,极化电阻会迅速增加到几千欧姆,这会极大影响SOFC的性能。因此,寻找一种能在中温条件下(500-800°C)工作的阴极成为开发中温SOFC的关键。具有KNiF结构的ABO型氧化物是目前得到广泛关注的另一类适合做SOFC阴极的材料。与传统的ABO型氧化物相比,这类氧化物具有更小的热膨胀系数,与目前SOFC中应用最广的电解质材料氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)相比有更好的热匹配性。另外这类材料在中温区具有相对高的电导率,这就解决了LSM等传统阴极随温度降低电导率急剧降低的问题。这类材料具有这些特性,使之成为SOFC潜在的优良的阴极材料。本文采用溶胶凝胶法合成了PrSrNiO(PSNO)及系列B位Mn搀杂的固体氧化物燃料电池阴极材料PrSrNiMnO(Mn)。对合成的样品进行了XRD物相测试,其中PSNO及Mn10%样品成纯A2BO4相。本文以这两种纯相样品为重点研究对象,对二者进行了高温电导率、热膨胀性能、热重等物理性能的测试,其中在导电性方面Mn10%的样品在中温段高于PSNO;热膨胀性方面,其热膨胀系数为14.18×10K小于PSNO的14.49×10K,与YSZ电解质有更好的热匹配性。另外在对二者进行的电化学测试中还发现,Mn10%阴极与其他传统阴极一样都随着温度的升高有极化电阻减小和过电位降低的趋势,且在不同测试温度下,Mn10%阴极的极化电阻和过电位均小于PSNO,在750°C时,其极化电阻仅为PSNO的1/3,具有明显的优势。另外在与其他未成纯相的阴极样品的比较中也发现,Mn10%相对于其他样品具有更好的物理及电化学性能优势,因此可认为Mn10%为SOFC的一种潜在的阴极材料。另外本文还通过真空辅助化学镀银(Vacuum Assisted Electroless Plating ag, VA-EPA)的方法对PSNO-YSZ复合阴极进行了表面修饰,并对修饰前后的阴极进行了性能比较。比较发现ag修饰后的复合阴极的极化电阻和过电位都有减小,其中,在750°C时,修饰后的复合阴极的极化电阻仅为普通复合阴极的1/2左右,过电位也有明显的降低。在对两种阴极材料进行了微观形貌测试后发现在ag修饰后的复合阴极中,存在着一种网状分布的ag颗粒,这种结构增大了阴极参与反应的表面积,提高了其对氧还原反应的催化活性。

关键词： SOFC 阴极 K2NiF4 ag表面修饰

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