摘 要

钙钛矿结构类型复合氧化物具有优良的电子-离子导电的混合导电性能，这类材料在氧渗透性、氧的扩散和表面交换能力以及电化学性能方面显示了明显的优势，很有潜力作为中温固体氧化物燃料电池的阴极材料。本课题采用甘氨酸-硝酸盐法(GNP)制备了PSC阴极粉料和SDC电解质粉料。制备不同掺杂量的Pr_0.6Sr_0.4CoO₃-xSDC(Ce_0.8Sm_0.2O_1.9)阴极粉料（x=0、0.1、0.2、0.3、0.4），讨论SDC的掺杂量和煅烧温度对阴极材料成相、热膨胀性能、电化学性能和导电性能的影响。结果表明：(1) SDC的最佳掺杂量为x=0.4；(2) SDC的掺入降低了材料的热膨胀系数，在x=0.4时，TEC最小，为16.62×10^-6K^-1；(3) SDC的掺入降低了材料的界面电阻，提高了电化学性能。

关键词：阴极材料 Pr_0.6Sr_0.4CoO₃ 热膨胀性能 电化学性能

Pr_0.6Sr_0.4CoO₃-xSDC-yCuO compound cathode performance

optimization

ABSTRACT

The composite oxide of calcium and titanium structrue is of excellent electronic and ionic conduction. These materials have superiority in substantial oxygen permeability, high oxygen diffusion and surface exchange coefficient, and high electrochemical properties, making them a promising candidate material of cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC).

PSC cathode powder and SDC electrolyte powder have been synthesized by citric acid-nitrate auto-combustion method. The experiment needed to prepare Pr_0.6Sr_0.4CoO₃ cathode powder with different doping amount (x =0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4) and researched the influence of the doping amount of SDC and sintering temperature on the phase of cathode material, thermal expansion properties, electrochemical properties and conductivity properties. The results showed that: (1) The optimal doping amount of SDC is 0.4; (2) The thermal expansion coefficient (TEC) is decreased by the incorporation of SDC and the TEC decrease to 16.62×10^-6K^-1 when the doping amount of SDC is 0.4; (3) The incorporation of Zn reduces the interfacial resistance of the materials, however this improves the electrochemical performance.

Key words: Cathode materials; Pr_0.6Sr_0.4CoO₃; Thermal expansion; Electrochemical performance

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1固态氧化物燃料电池（SOFC） 1

1.1.1 SOFC的工作原理 1

1.1.2 SOFC特点 2

1.1.3 SOFC结构 2

1.3钴基钙钛矿结构阴极改性方法 4

1.3.1 掺杂法 4

1.3.2 复合阴极法 5

1.3.3 贵金属修饰阴极法 5

1.3.4 阴极浸渍法 5

1.4阴极材料制备方法 5

1.5本论文研究目的、意义及内容 7

第二章 实验设计方法和内容 8

2.1 实验药品与仪器 8

2.2 试验样品制备 9

2.2.2电解质的制备 10

2.3 阴极性能测试 11

2.3.1 材料的物相表征 11

2.3.2 交流阻抗测试 12

2.3.3 材料形貌观察 12

2.3.4 热膨胀系数测试 12

2.3.5 电导率的测定 12

第三章 实验结果分析与讨论 14

3.1阴极粉料物相分析 14

3.2阴极与电解质相容性 14

3.3 PSC的电化学性能分析 15

3.4 阴极与SDC断面形貌分析 17

第四章 结论与展望 21

4.1结论 21

4.2展望 21

参考文献 22

致谢 25

第一章 文献综述

随着我们步入21世纪，我们国家的现代技术日益的成熟，人类对技术要求也越来越高，当然对各种新型能源的依赖也更加明显，为了满足人们的需要，国家不得不投入大量人力物力来研发新型能源已解决问题。但是传统发电供应量却越来越难以满足人们对发电方式的新要求，所以人类对多种新能源或新型发电方式的探索应运而生，这其中脱颖而出的就是固体氧化物燃料电池SOFC，它是区别于之前两代的燃料电池，成为当前研究的一个重要领域。SOFC通常使用气体燃料，能源丰富广泛，比如氢气，天然气等都可以作为燃料以满足使用要求，整体电转换效率高，理论上还可以达到75%^[1]，反应较为充分，尾气排放较少，对环境污染很小，并且结构简单，没有运动组件，没有震动，噪音小，不仅适合家用而且适合大型发电厂，是一种特别好的能量转化装置^[2]。

虽然SOFC的想法已经提出很长一段时间，但是真正的商品化之路却依然坎坷曲折，其主要在于电池的工作温度很高，高温SOFC工作温度达到近1000℃，任何一个常温下能忽略不计的化学反应，在这样高的温度下也会反应剧烈，所以对材料性能要求过高。因此，研发在中温下使用的阴极材料已经成为目前所必须面对的难题^[3-6]。中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC），工作温度一般在600℃~800℃，从而可以增大电池材料的多种选择性，减少了材料制造与使用的成本，还改善了电池长期工作的可靠性与稳定性^[7]。

1.1固态氧化物燃料电池（SOFC）

1.1.1 SOFC的工作原理

SOFC是一种能够将化学能转化成电能的装置。下面以燃料气为氢气时的SOFC为例来阐述工作原理^[8]，如图1-1。

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