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摘 要

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）作为一种新型能源转化装置而具有广阔的应用前景。降低SOFC的工作温度到600-800℃可以解决其在高温时存在的问题，但工作温度的降低会导致阴极侧氧还原反应（ORR）活性，因此，开发一种新型阴极材料至关重要。本课题通过传统固相反应法成功制备了La_0.6Ca_0.4Fe_1-xMn_xO_3-δ（x=0、0.1、0.2、0.3）阴极材料并探索了最佳配比方案。对称电池测试结果表明：各掺杂样品的阻抗随掺杂量的上升而下降，其中，掺杂量x=0.3，温度为800℃时的阻抗最低，相较同温度无掺杂时下降了66.7%。

关键词：固体氧化物燃料电池 阴极 电化学性能

Preparation and Characterization of LOFC-based Cathode Materials

for Intermediate-Temperature SOFC

Abstract

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is a promising device for energy conversion. Reducing the operating temperature of the SOFC to 600-800 ° C can solve its problems at high temperatures, but it will decrease the oxygen reduction reaction (ORR) activity at the cathode side, so it is essential to develop a new cathode material. In this article, La_0.6Ca_0.4Fe_1-xMn_xO_3-δ (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3) cathode materials were successfully prepared by traditional solid state reaction and the optimum ratio was studied. The symmetrical cell test results showed that the impedance of each doped sample decreases with the increase of the doping amount. The lowest impedance was obtained when x=0.3 at 800℃, which was 66.7% lower than the sample without doping .

Keywords: Solid oxide fuel cell; Cathode; Electrochemical properties

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2燃料电池概述 1

1.3固体氧化物燃料电池概述 2

1.3.1固体氧化物燃料电池简介 2

1.3.2 SOFC的工作原理 2

1.3.3 SOFC的结构及特点 3

1.4 SOFC关键材料 5

1.4.1电解质材料 5

1.4.2阴极材料 6

1.4.3阳极材料 6

1.5 SOFC阴极材料 7

1.5.1 SOFC阴极材料的反应机理 7

1.5.2 SOFC阴极材料的研究进展 8

1.6论文选题和研究内容 12

第二章 实验制备及表征 14

2.1实验原料和仪器 14

2.1.1实验原料 14

2.1.2实验仪器 14

2.2粉体的合成与样品的制备 15

2.2.1粉体合成 15

2.2.2试样制备 15

2.3 表征 16

2.3.1 X射线衍射分析 16

2.3.2 电化学性能 16

第三章 实验结果与讨论 17

3.1 阴极材料粉体的表征 17

3.2 对称电池阻抗测试 17

3.3 活化能计算 19

第四章 结论与展望 20

4.1结论 20

4.2展望 20

参考文献 21

致谢 25

第一章 绪论

1.1引言

能源，推动着当今社会快速发展，但是随着当代科学技术的不断进步，能源问题愈发明显。

石油、煤、天然气等化石能源是现代人类社会的主要能源，推动着人类社会的进步，但这类能源同时也是不可再生能源，在短时间内无法再生。化石能源的过量使用导致化石类能源日益枯竭，全球也面临能源危机。不仅如此，化石能源中包含有大量C、S、N元素，在化石燃料燃烧的过程中会排出大量的CO₂、CO、SO₂、NO₂等不同类型的污染气体，CO₂的排放导致了全球变暖，而其它的废气也会产生酸雨、臭氧层空洞等一系列的环境问题，这些问题使得人类的生存环境受到了严重的威胁。

因此，全球能源的使用类型需要从化石燃料向清洁型燃料转变，近几年来，人们积极开发新的清洁能源例如风能和太阳能，这类能源属于可再生能源且污染很少，但是这类清洁能源具有间歇性，而且技术含量高，技术难度大，因此不能长时间大规模的利用。电化学能量储存和转换是一个新的解决方案，它不仅能有效地的利用清洁能源，而且造成的环境污染很少。燃料电池因其能量转换率高、燃料使用范围广、污染小等特点，越来越受到人类的广泛关注，成为新能源装置发展的焦点之一^[1]。

1.2燃料电池概述

燃料电池（Fuel Cell，简称FC）是一种高效环保的能源转换装置，它可以直接将氧化剂和燃料中储存的化学能转化为电能，而且转换效率十分理想，这种能量转换方式不同于其他传统的电力装置，它的转化过程无需经过燃烧，因此也就避免了受到“卡诺循环”的影响，同时也避免了CO₂等有害气体的排放，减少了环境污染。燃料电池凭借其独特的优势已经成为目前最具有竞争力的动力资源，它被广泛的应用于人类的日常生活中^[2]。

燃料电池的应用十分广泛：可以作为分布式电站，为众多的场所提供电力。同时它也可以作为公交车、私家车等交通工具的电源，由于其使用的是清洁能源，因此汽车的排放产物只有H₂O,对环境无污染^[3]。

与传统的能源转换装置相比，燃料电池的优点很多^[3]：

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