摘 要

双钙钛矿型（LnBaCo₂O_{5 δ}）氧化物阴极在中温（500~800℃）范围内电子电导率、氧表面交换系数和体扩散系数较高，适宜作为SOFC阴极材料。本课题采用甘氨酸-硝酸盐法制备GdBaCo₂O_{5 δ}(GBCO)、Ce_0.8Sm_0.2O_1.9(SDC)粉体，以GBCO为浸渍相，以SDC为阴极骨架，采用离子浸渍法制备浸渍量为GBCO-10%、GBCO-20%、GBCO-30%、GBCO-40%的GBCO-SDC复合阴极，对复合阴极进行物相及微观形貌分析，通过不同氧分压下的交流阻抗谱图研究浸渍阴极的极化电阻、主要氧还原反应过程及速率控制步骤，确定GBCO最佳浸渍量。研究结果表明，GBCO与SDC粉体在高温下有良好的化学相容性；最佳GBCO浸渍量为30%，阴极极化电阻达到最小值；GBCO-SDC浸渍阴极涉及的氧还原反应主要为O^2-从阴极向电解质迁移过程、氧原子得电子的电荷转移过程，且电荷转移过程控制着阴极氧还原反应的速率。

关键词：SOFC 浸渍量 浸渍阴极 氧还原反应

Effect of GBCO Impregnation on GBCO-SDC Composite Cathode Properties

Abstract

The double perovskite type (LnBaCo₂O_{5 δ}) oxide with high electronic conductivity, oxygen surface exchange coefficient and bulk diffusion in the intermediate temperature range (500~800°C) was suitable for a SOFC cathode. In this paper, GdBaCo₂O_{5 δ}(GBCO) and Ce_0.8Sm_0.2O_1.9(SDC) powders were prepared by glycine-nitrate method. GBCO-SDC composite cathode, which was combined with GBCO as impregnation phase and SDC as cathode framework, was prepared by ion impregnation method with GBCO-10%, GBCO-20%, GBCO-30% and GBCO-40%. The phase composition of the composite powders and micromorphology of the composite cathode were studied. The polarization resistance of the impregnated cathode was measured by AC impedance spectroscopy at different oxygen partial pressures to determine the optimal impregnation amount of GBCO. The main oxygen reduction reaction process and the rate control procedure were studied based on Electrochemical Impedance Spectroscopy data. The experimental results show that GBCO and SDC powder had good chemical compatibility at high temperature. The optimum GBCO impregnation amount was 30%, and the cathodic polarization resistance reached the minimum value under this circumstance. The oxygen reduction reaction involved in the GBCO-SDC impregnated cathode was mainly about the transfer process of O^2- from the cathode to the electrolyte and the electron transfer of the oxygen atom, in which case the charge transfer process controlled the rate of the cathodic oxygen reduction reaction.

KEYWORDS: SOFC; Impregnation amount; Impregnated cathode; Oxygen reduction reaction

目 录

1

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 固体氧化物燃料电池（SOFC）研究背景 1

1.2 SOFC的工作原理 2

1.3 SOFC的重要组成部分 2

1.3.1阳极 2

1.3.2电解质 4

1.3.3阴极 5

1.4 阴极材料制备方法 9

1.4.1 溶胶-凝胶法 10

1.4.2 共沉淀法 10

1.4.3 EDTA-甘氨酸法 10

1.4.4 甘氨酸-硝酸盐法 11

1.5 离子浸渍法 11

1.5.1 浸渍贵金属材料 12

1.5.2 浸渍离子电导材料 13

1.5.3 浸渍混合电导材料 13

1.6 对称固体氧化物燃料电池 13

1.7 本论文的研究内容、意义及目的 14

第二章 实验设计及过程 16

2.1 实验药品、仪器 16

2.2 实验样品的制备 17

2.2.1电解质粉体的制备 18

2.2.2 阴极粉体的制备 18

2.2.3 粘合剂的制备 18

2.3 表征方法和性能测试 19

2.3.1 X射线衍射仪分析 19

2.3.2 扫描电子显微镜分析 19

2.3.3 交流阻抗谱分析 20

第三章 实验结果的分析与讨论 21

3.1 GBCO-SDC复合阴极的物相分析与微观形貌分析 21

3.1.1 物相分析 21

3.1.2 微观形貌分析 22

3.2 GBCO浸渍量对GBCO-SDC复合阴极性能的影响 23

3.2.1 制备GBCO-SDC复合阴极对称电池 23

3.2.2 电化学性能 25

3.2.3 氧还原过程分析 26

3.2.4 氧还原速率控制步骤 29

第四章 结论与展望 30

4.1 结论 30

4.2 展望 30

参考文献 32

致谢 36

第一章 文献综述

固体氧化物燃料电池（SOFC）研究背景

一个国家经济的高速发展依赖于其能源供给量，这使得能源短缺的问题日趋严重，资源不足会导致更为严重的生态不平衡问题以及环境污染问题。为了使能源利用顺应时代发展潮流、顺应社会发展方向，应当加快能源转型，实现可持续发展。因此，发展绿色、可再生能源迫在眉睫^[1]。

燃料电池是一种能够提高能源利用率、减少污染排放的新型发电装置，它以生物质为原料，摆脱了卡诺循环的束缚，通过电池体系将氢气、碳氢化合物等燃料中的化学能以直接高效的方式转换为电能，以燃料适应性广、噪音污染小等特点广泛应用于工业生产^[2]。燃料电池可根据工作温度的不同和电解质类型的差异划分为三代五类：第一代燃料电池工作温度为100℃以下的低温，包括磷酸燃料电池（PAFC）、碱性燃料电池（AFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）三类；第二代燃料电池一般是指熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；第三代燃料电池的电解质多选用陶瓷材料，呈固态，即固体氧化物燃料电池（SOFC）^[3],为本课题的研究对象。

SOFC是一种全固态的电化学发电装置，可以将阴极侧供给的氧化剂、阳极侧供给的燃料中的化学能直接高效地转换为电能，具有能量转换效率高、清洁的优势，无需贵金属进行催化，燃料适应性广且电解质稳定性良好，由于电池使用的是全固态材料，无腐蚀性，在众多燃料电池中脱颖而出。氧化钇稳定氧化锆（YSZ）是一种固态陶瓷材料，是传统SOFC电解质的常用材料。由于YSZ作为电解质时，需要电池系统达到高温（＞1000℃）、强氧化的条件，这会带来一系列问题，例如会导致电池系统生产成本高、长期热稳定性差等，SOFC的性能随之退化。为了降低电池系统的生产成本、提高SOFC的长期稳定性并提供更多电解质及电极材料的选择方向，本课题降低工作温度至500-800℃范围内，以研究中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC），这也是目前SOFC的重点研究方向。

SOFC的工作原理

阳极、电解质、阴极三部分构成了SOFC的单电池片，将单电池片进行串联或者并联可组成SOFC电池组，再通过连接和密封而组装成电池堆^[4]。

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