多孔阴极材料钴酸锶钐的研究

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1、本科生科技论坛多孔阴极材料钴酸锶钐的研究摘要固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，SOFC)是一种把燃料的化学能直接转化为电能的装置，并具有能量转换效率高，环境友好，燃料适用性强以及全固态结构等突出优点。SOFC的开发与应用已成为当前新材料和新能源领域的一个研究热点。本课题以钙钛矿结构的阴极材料Sm0.5Sr0.5CoO3-б为研究对象，电解质材料为SDC，通过向阴极中添加不同比例的造孔剂，改变阴极的微观结构，提高阴极在中温下的电化学性能。采用固相法合成电解质和阴极材料。关键词：SOFC

2、阴极气孔率温度极性阻抗多孔阴极材料钴酸锶钐的研究一固体氧化物燃料电池1.1SOFC简介固体氧化物燃料电池(SOFC，SolidOxideFuelCell)是一种燃料气和氧化剂气体通过离子导电的氧化物发生电化学结合而产生电能的全固态能量转化装置。它的基本组成包括电极(阴极和阳极)、电解质和连接材料。除了具有燃料电池的一般特点(高效，环境友好等)，SOFC还具有如下独特的优点[3,4]：①SOFC是是全固态的电池结构，不存在电解液流失导致环境污染的问题。同时，电池元件形状自由，这使得电池设计更加独特；②电池在高

3、温下工作，电极反应速度快，无需采用贵金属电极，降低了电池成本；③排出的高质量余热可实现热电联供，从而提高能量利用综合效率(由60%提高到80%)；④燃料范围广，不仅可用H2和CH4作燃料，还可直接采用醇类、天然气等其它碳氢化合物为燃料；⑤不要求外围设备条件，诸如不需要湿度控制、空气调节等；⑥积木性强，规模和安装地点灵活。自20世纪80年代初开始SOFC的研究迅速发展，欧美日本等发达国家SOFC的研究与开发工作非常活跃，日益受到人们的重视。尽管如此，SOFC因成本太高，离产业化尚有距离。目前，SOFC作为电源

4、系统的成本在100010本科生科技论坛美元/kW左右，远高于传统火力、水力发电；而作为动力系统，也比内燃机成本高不少。其不足之处，诸如氧化物电解质为陶瓷材料，质脆易裂，电堆组装较困难，高温热应力作用会引起电池龟裂；此外电堆的大功率化，启动时间的缩短，系统小型化及对高温余热的利用技术等等，都是SOFC实用化亟待解决的课题。1.2SOFC工作原理燃料电池的主体是由致密的电解质与附于其两面的多孔阴极和阳极构成。多孔的阴极(正极)和阳极(负极)由中间致密电解质层隔开。其中致密电解质起传导O2-和分离空气、燃料、隔离

5、两电极以避免短路的作用，而阴、阳极为多孔结构，以增加氧化还原反应的反应活性，从而具有较低的界面阻抗。电池工作时所进行的电化学过程如下[1,2]：在阳极，H2失去电子被氧化成氢离子(H+)，与从阴极经电解质传导过来的氧离子(O2-)结合成水(H2O)，同时，电子通过外电路向阴极转移。在阴极侧，O2分子吸附在阴极表面并分解成氧原子，随后氧原子扩散到电极-电解质-气体的三相界面，并与从外电路传来的电子结合生成氧离子(O2-)，氧离子在电解质两侧的电位差与氧浓度差的共同作用下，通过电解质中的氧空位逐渐由阴极向阳极扩

6、散迁移，最终到达阳极，与氢离子(H+)在阳极侧反应，生成水分子(H2O)，并放出电子，电子再经过外电路流入阴极。不断重复上述反应，外电路将会有连续的电流流过负载。反应方程式为：阴极：1/2O2＋2e-＝O2-阳极：H2＋O2-＝H2O＋2e-电池总反应：1/2O2＋H2＝H2O显然，SOFC在工作过程中并没有电极物质的消耗，电池输出的能量来源于燃料的氧化剂发生氧化还原反应所释放出来的化学能，因此，只要不断地分别给阴极和阳极输入氧化剂(如氧气)和燃料气(如氢气)，电池就能连续工作。10本科生科技论坛图1固体氧

7、化物燃料电池电化学反应过程示意图1.3SOFC的组成部分SOFC的组成材料包括阳极（anode）、阴极（cathode）、固体电解质（solidelectrolyte）和互连接（interconnector）材料，它们按照一定的方式构成燃料电池堆，其中电极的主要功能是传导电子，使氧气和燃料气体发生电化学反应，而本身不被消耗或腐蚀；电解质决定SOFC的工作温度，承担传递导电离子或质子，分隔空气和燃料气体等功能；连接材料主要用来连接阴阳极，构成电池堆；密封材料是用来密封电极和连接材料，防止燃料气体与空气或氧气的

8、混合[1,2]。2.SOFC阴极材料锶掺杂的钴酸钐(SSC)研究进展中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)是一种高效、环境友好的电能生产方式。然而电池操作温度的降低引起电极活性的迅速下降，高温燃料电池常用的阴极材料——锶掺杂的锰酸镧(LSM)不能很好的解决，因此开发高性能的中温阴极材料是目前人们研究的一个重点。研究表明，阴极材料氧离子电导的增加可以扩展反应活性表面，从而显著地提高阴极的活性。由于含钴的混合导体具有