中温固体氧化物燃料电池电极电解质薄膜材料的制备与表征

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1、中围科学技术人学薄L学位论文，2005年摘要固体氧化物燃料电池(sOFC)是举世公认绿色能源转换装置。传统的sOFc的高温操作(～10000c)而导致连接、密封材料选择困难和制备成本居高不下等问题。降低电池的：t作温度到8000c以下(中温SOFC)，一方面保持了高温燃料电池的优点，另一方面拓宽材料的选择范围．同时降低电池的制备和运行成本。目前实现中温SOFC的途径主要包括：(1)电解质薄膜化，目的是为了减小内阻。(2)使用掺杂的Ce02、LaGa03等电解质，它们在中温下的电导率比传统的氧化钇稳定的氧化锆(Ysz)高近一个数量级。(3)对传统电极的组成进行修饰和结构的优化

2、并研制与新电解质相匹配的、高催化性能的电极材料。本论文针对发展中温sOFc的需要，研究sOFc阴极材料的组成、结构和性能之间的关系，从改善电极结构、提高反应活性角度出发，进行梯度电极和电极微结构的优化(第三、四章)；发展薄膜化电解质的软化学制备方法(第五章)，；同时寻找与掺杂镓酸镧电解质相匹配、性能优异的阳极材料，并对其电化学性能和稳定性进行评价(第六章)。为制造中温燃料电池打下关键材料和：[艺基础，为推进中温sOFc的商业化应用提供技术和实验依据。1．Lal．。Sr。Mn03—5(LsM)-smo．2ceo．801．9(sDc)复合阴极的制备及电化学表征LsM是soFc的

3、传统阴极材料，但温度小于80矿C时，电极活性较差。为了增加阴极反应活性，第三章以sDc为LsM阴极的第二相，分别采用离子浸渍法和溶胶一凝胶法制备LSM—SDC复合阴极。离子浸渍法通过在LsM或SDC的表面和电极一电解质界面获得均匀的、粒径小的氧化物颗粒，有效的增大了三相界面面积和氧还原反应活化位。在7500c，离子浸渍法制各的阴极界面电阻仅为0．25Qcnl2，而丝网印刷法制备的阴极界面电阻为1．37Qcm2。利用交流阻抗谱对它们的反应机理进行研究，发现反应机理与电极制备过程有很大的关系。电极的阻抗潜图中都包含三个弧即高频弧、中频弧和低频弧。高频弧对应的电极过程是氧离子从三

4、相界面向电解质传输的过程，与氧分压无关。浸渍sDc制备的LSM—SDc的中频弧和低频弧都随氧分压的变化而变化，其对应的电化学过程分别为电荷的转移和氧在电极中的解离和吸附。与浸渍sDC阴极的反应机理相比，Il中国乒}学技术大学博卜学位论文，2005年浸渍LsM阴极的反应机理有所不同，其在中频和低频下的电化学过程分别由氧物种的表面扩散和气体扩散控制。阴极极化下，浸渍SDC阴极中的Mn3十部分还原成Mn”，在电极表面形成氧空位，使氧还原反应可以同时在三相界面及氧空位覆盖的电极表面进行，从而使界面电阻显著减小。而浸渍LsM阴极的界面电阻并没有凶阴极极化出现电阻减小的趋势，只是在一定

5、的范围内出现浮动。第二部分，运用溶胶．凝胶法制备了LsM．SDc阴极，研究了烧结温度对微结构和界面电阻的影响，确定了阴极的最佳烧结温度为9500C。7500C，此法制备LSM．SDcI刿极的界面电阻为O．3Qcm2，略高于离子浸渍法制备的LSM．SDc阴极的界面电阻。说明溶胶．凝胶法是很有潜力的阴极制备方法。2．梯度阴极的制各及电化学表征传统的LSM复合阴极具有在氧化气氛下稳定、热膨胀系数与Ysz、掺杂的ce02(Dco)等电解质相匹配等优点，但是在中温下电子在电极层巾的运输受到限制，并成为限制LSM复合阴极性能的重要因素。与LsM相比，Lsc在中温下具有高的离子、电子导电

6、性和氧还原催化活性，但这种材料的热膨胀系数与YSz、DcO等电解质的不相匹配，导致以LSc为主要成分的阴极材料的界面性能缺乏长期稳定性。为了解决。p温下LSM电导率不足和I．sc与电解质热膨胀不匹配的问题，在第叫章中采用梯度的概念，研究以SDC为电解质的中温SOFC的LsM—Lsc—SDc梯度阴极，其组成在各层之间呈现梯度变化。阴极组成的梯度化结构有效地保证了阴极各组分之间、阴极电解质之间的化学稳定性和热膨胀匹配，同时能够使阴极反应所必须的电子传导和氧离子传导在尽可能快的速度下进行。组成梯度化充分发挥了LSM和Lsc各自的优点，有效的提高了电极的催化性能。7500c，梯度阴

7、极界面电阻仅为0．06Qcm2，而微结构和厚度相近的LsM—sDc的阴极界面电阻为O．56Qcm2。不同氧分压下，利用交流阻抗谱研究了梯度阴极的反应机理，阻抗谱图分为高频弧和低频弧，均随氧分压的变化而变化，其所对应的电极过程，分别由电荷转移和气体扩散所控制。阴极极化下，由于氧空位在电极表面形成和表面迁移得到扩展，使阴极电流随过电位的增加显著增大，从而使电极的界面电阻迅速降低，但随着时间的延长这种趋势逐渐减缓。III中国科学技术大学博二}：学位论文．2005年3．旋转涂覆法制备阳极支撑的YSZ薄膜及电池性能表征论文第