摘 要

传统的固体氧化物燃料电池需要在高温（800-1000℃）下工作，这会提高它们的成本，并对电池在实际操作中的稳定性和工作寿命造成很大损害。若降低操作温度，则会出现电导率，催化活性降低，阻抗升高等一系列问题，因此，降低操作温度一直是SOFC商业化的主要目标之一，本课题采用甘氨酸自蔓延燃烧法制备PCO和LSCF粉体，按照不同配比混合，加入松油醇研磨成阴极浆料，制备对称电池片，讨论在不同煅烧温度下，对电化学性能的影响，以及用不同配比的粉料制备阴极条，在1000℃下煅烧，测定热膨胀系数和电导率，综合比较，得出最佳煅烧温度和配比。研究表明，当m(PCO) : m(LSCF)=3:7，煅烧温度为1000℃时，PCO-LSCF复合阴极材料性能最佳。

关键词：中温 PCO-LSCF复合材料 阻抗 电导率 热膨胀系数

Preparation and Properties of PCO-LSCF Composite Cathode Material

Abstract

The traditional SOFC needs to work at high temperature (800-1000 C), which will increase their cost and cause great harm to the stability and service life of the battery. If the operating temperature is lowered, a series of problems will arise, such as lower conductivity, lower catalytic activity and higher impedance. Therefore, reducing operating temperature has always been one of the main objectives of SOFC commercialization. In this paper, PCO and LSCF powders were prepared by glycine self-propagating combustion method. According to different proportions, PCO and LSCF powders were mixed and terpineol was added to grind into cathode slurry to prepare symmetrical batteries. The effects of calcination temperature on electrochemical properties were discussed. The optimum calcination temperature and ratio were obtained by comparing the thermal expansion coefficient and conductivity of the cathode strip prepared with different proportion of powder and calcined at 1000℃.

Key Words: Medium temperature; PCO-LSCF compound material; Impedance; Conductivity; Coefficient of thermal expansion

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2阴极材料研究现状 2

1.2.1钙钛矿型 2

1.2.2双钙钛矿型 4

1.2.3K₂NiF₄型 4

1.3阴极反应机制 4

1.4阴极粉料制备方法 5

1.4.1溶胶—凝胶法 5

1.4.2燃烧法 5

1.4.3其他合成方法 6

1.5电解质材料 6

1.6阳极材料 7

1.7研究目的和内容 8

1.7.1研究目的 8

1.7.2研究内容 8

第二章 PCO-LSCF复合阴极的制备 9

2.1实验原料与仪器 9

2.1.1实验原料 9

2.1.2 实验仪器 9

2.2实验方法 10

2.2.1实验样品制备 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 热膨胀系数测试 12

2.3.4 电导率的测定 12

第三章 PCO-LSCF复合阴极的性能研究 14

3.1 材料物相的分析 14

3.2 PCO-LSCF的电化学性能 15

3.3电导率测试 18

3.4 热膨胀系数测试 19

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 22

致谢 24

第一章 文献综述

1.1引言

由于随着人口的日益增多，人类对于自然资源和能源的消耗速度也飞速上升。当今社会需求量最多的是电能，而传统的发电方式是先将燃料的化学能转化为内能，然后再转化为机械能，这一过程会导致严重的环境污染，并且能源的转化率非常低，有很多的缺陷。因此，我们急需一种新的可持续发展的能源转换技术。固体氧化物燃料电池(SOFC)有很多优势，例如能量转换效率高和对环境污染小等，这使其有望成为本世纪重要的能量转换装置之一，它能直接将化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，因此能量转化效率非常高[1]。但是由于其过高的工作温度，会大大提高它的成本，阻碍其商业化发展，并且高温环境会对电池的稳定性和使用寿命造成很大危害。因此，降低操作温度一直是SOFC商业化的主要目标之一。然而，随着操作温度的下降，传统的阴极材料催化活性变差，导致阴极极化电阻变大。所以现在迫切需要开发一种新的，低成本的，使用寿命长的，具有高稳定性的，且在中温区（600-800℃）具有高催化活性的阴极材料。

阴极提供氧化剂，氧化剂一般为空气中的氧气。阳极提供燃料，例如甲烷，一氧化碳或者氢气等。工作时，阴极发生氧化反应，阳极发生还原反应，失去的电子通过外电路与负载相通而使负载运作[2]。如图1-1所示。以H₂为燃料的电池为例：

发生的反应如下所示：

O₂ 4e^- = O^2-

H₂ O^2- = H₂O 2 e^-

2H₂ O₂ = 2H₂O

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