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La和Cr双掺杂SrTiO3阳极材料的性能研究

作　者: 鄂文晶
导　师: 苗继鹏
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 固体氧化物燃料电池（SOFC） 钙钛矿氧化物阳极材料 电化学性能 阳极稳定性 浸渍
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


固体氧化物燃料电池（SOFC）的研究和开发对于解决能源和环境问题具有重要意义。目前被广泛采用的SOFC阳极材料是Ni/YSZ（氧化钇稳定氧化锆）金属陶瓷，这种材料在H2作为燃料时表现出优异的电化学性能和较好的长期稳定性。然而在使用更廉价的碳氢化合物为燃料时，会由于Ni/YSZ阳极对碳氢化合物的热解的催化作用而产生积碳；如果是含硫燃料（例如煤炭、天然气），则此阳极还会发生更为严重的硫中毒问题。此外，Ni/YSZ阳极在长期的高温运行时还会由于Ni烧结团聚而影响该电极的稳定性；在氧化气氛中，Ni还会氧化成NiO，导致阳极的结构遭受破坏。研发能够在碳氢化合物气氛以及氧化气氛下都能稳定工作的阳极材料，是降低运行成本、推进SOFC应用需要解决的关键问题。本文主要对钛酸锶（SrTiO3）基阳极材料展开研究，以La替代Sr、同时以Cr取代Ti实现双掺杂，其中La掺杂量固定为0.3，Cr的含量改变。采用传统固相法，密闭的炉管中用活性炭制造还原气氛，成功地合成了La0.3Sr0.7CrxTi1-xO3（x=0,0.05,0.10,0.15，分别命名为LSCTO00或LSTO、LSCTO05、LSCTO10、LSCTO15）新型阳极材料（简称为LSCTO），并且对此材料的性能进行基本的物性测试并对其进行详细分析。通过研究发现，LSCTO材料的热膨胀系数与电解质YSZ非常接近。高温电导测试结果表明，纯的SrTiO3电导率很低在700oC时还原气氛下电导率不足10S·cm-1，而La0.3Sr0.7TiO3在此温度点的电导率可以达到366.2S·cm-1，随着Cr掺杂量的增加电导率略有减小，分别可以达到325S·cm-1、337.4S·cm-1和260.7S·cm-1。通过对LSCTO材料的热稳定性以及氧化还原稳定性的考察，发现LSTO的热稳定比较好，在700℃恒温氢气气氛中测试时没有出现明显的电导率衰减现象，而且LSTO经过四次氧化-还原循环后的电导率衰减到原来的84.1%，逐渐趋于稳定，说明LSTO材料的氧化-还原导电是一个动态的平衡过程。LSCTO10材料经过四次氧化-还原循环后电导率仍达到原来的97.8％，说明LSCTO在保持LSTO的热稳定的同时具有更好的氧化-还原稳定性。用金属Fe在制备过程中对材料表面进行化学气相沉积，发现有FeCr2O4生成，进一步提高了材料的电导率，LSCTO05在进行了化学气相沉积后形成的复合材料的表观电导率在氢气气氛下700℃时为399.1Scm-1，电导率提高了22.8％,说明此方法有助于提高材料的电导率。纯LSCTO阳极与YSZ组装半电池，通过在H2和CH4两种气氛中的交流阻抗谱测试，发现在750℃时在CH4中的极化电阻优于H2，因此它应含碳氢化合物燃料的SOFC阳极材料。使用LSCTO（00/05/10/15）阳极组装的单电池，阴极选用Ag。电池的极化电阻随Cr掺杂量的增加而减小,说明Cr的掺入增加了LSCTO材料的催化活性。以LSCTO00、LSCT05、LSCT10和LSCT15为阳极的单电池的最大功率密度分别为6.05mW·cm-2、10.33mW·cm-2、51.79mW·cm-2、57.50mW·cm-2。Ni浸渍处理后的LSCTO阳极材料得到很好的输出性能，LSCTO00阳极的单电池功率密度达到181.51mW·cm-2，是原来电池的近30倍。对单电池进行优化的过程中，发现使用氧化物阴极LSM的单电池明显优于Ag电极的单电池。将Ni和SDC共浸渍LSCTO材料以提高单电池的输出性能。单电池结构Ni-SDC-LSCTO（05/10/15）/YSZ/LSM，在850℃时电池的功率密度达到了355.5mW·cm-2、411.3mW·cm-2、424.7mW·cm-2，比单纯浸渍Ni的电池分别提高了28%、20%、19%。由此可见，Ni和SDC共浸渍是一种提高LSCTO电极材料性能的有效方法。本文的研究结果表明，La0.3Sr0.7CrxTi1-xO3具有较高的电导率和良好的耐氧化-还原循环稳定性，在进行Ni和SDC浸渍后更可以显著提高其电化学性能，有望替代Ni/YSZ在SOFC中广泛应用。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 燃料电池  10
  1.2 燃料电池的概念及类别  10-11
  1.3 固体氧化物燃料电池(SOFC)  11-12
    1.3.1 固体氧化物燃料电池的特点及工作原理  11-12
    1.3.2 固体氧化物燃料电池阳极材料的要求  12
  1.4 SOFC 阳极材料的研究进展  12-15
    1.4.1 金属阳极  12-13
    1.4.2 金属陶瓷阳极  13-14
    1.4.3 混合导体氧化物阳极  14-15
  1.5 SrTiO_3基 SOFC 阳极材料的研究进展  15-16
  1.6 本文主要的研究内容及意义  16-18
第2章 钙钛矿氧化物阳极的制备及基本物性测量  18-30
  2.1 阳极材料的制备  18
  2.2 LSCTO 阳极材料的物相分析  18-22
  2.3 La_(0.3)Sr_(0.7)Cr_xTi_(1-x)O_3的热膨胀系数(TEC)测试及分析  22-24
  2.4 样品烧结块体的微结构  24-25
  2.5 高温电导率测试  25-29
  2.6 本章小结  29-30
第3章 阳极材料的稳定性测试  30-37
  3.1 阳极材料的稳定性要求  30
  3.2 LSTO 阳极材料的稳定性  30-32
    3.2.1 LSTO 阳极材料的热稳定性  30-31
    3.2.2 LSTO 阳极材料的氧化还原稳定性  31-32
  3.3 LSCTO 氧化还原稳定性的研究  32-33
  3.4 优化 LSCTO 阳极材料的电导率  33-35
    3.4.1 类化学气相沉积法提高此阳极材料的电导率  33-34
    3.4.2 电导率测试结果及分析  34-35
  3.5 本章小结  35-37
第4章 LSCTO 阳极材料在 SOFC 中的应用  37-53
  4.1 电解质支撑型半电池与单电池的制备  37-39
    4.1.1 造孔剂的作用  37-38
    4.1.2 电解质的选取及烧结  38
    4.1.3 阳极浆料的涂覆及电池的制备  38-39
  4.2 使用 LSCTO 阳极的 SOFC  39-45
    4.2.1 半电池的微结构分析  39
    4.2.2 半电池在不同气氛下的交流阻抗谱测试及分析  39-42
    4.2.3 使用 LSCTO 阳极的 SOFC 的输出性能分析  42-45
  4.3 浸渍法制备的 Ni/LSCTO 复合阳极  45-50
    4.3.1 LSCTO 复合阳极的制备  45-46
    4.3.2 单电池的输出性能  46-47
    4.3.3 氧化物阴极与 Ag 电极对电池输出性能的影响  47-49
    4.3.4 单电池 Ni-LSCTO/YSZ/LSM 的输出性能  49-50
  4.4 共浸渍制备的 Ni-SDC/LSCTO 复合阳极  50-51
    4.4.1 复合阳极的制备  50
    4.4.2 复合阳极对电池输出性能的影响  50-51
  4.5 本章小结  51-53
结论  53-55
参考文献  55-62
致谢  62

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
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