1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種全固態(tài)結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換裝置,并以其高的能量轉(zhuǎn)換效率、高的功率密度及低的污染排放而被認為是最有可能應(yīng)用的新能源技術(shù)之一。傳統(tǒng)SOFC的高溫操作不僅使電池材料的選擇受到限制,還提高了制造成本,并帶來電池堆密封困難、材料擴散和老化等問題。所以研制中溫SOFC成為當(dāng)前研究的熱點。然而,電池操作溫度下降會使電極極化損失和界面電阻增大,導(dǎo)致電池的效率低下,因此必須尋找新型電解質(zhì)和電極材料。
　　 摻雜CeO

2、2基電解質(zhì)是近來研究較多的中溫固體電解質(zhì)之一。研究表明,在CeO2基電解質(zhì)中摻入少量稀土Pr可增加氧離子傳導(dǎo)率,減少電解質(zhì)-電極間的界面極化。
　　 本文通過甘氨酸-硝酸鹽法制各了不同Pr含量的Ce1-xPrxO2-δ(PCO)粉末,并對粉末特性及燒結(jié)性能進行分析。結(jié)果表明,甘氨酸硝酸鹽法制備的粉末尺寸均在納米級別,且顆粒細小、均勻,表面活性高。不同溫度煅燒的PCO粉末的X射線衍射結(jié)果表明其最佳成相溫度為800℃。掃描電鏡結(jié)果表

3、明煅燒后的PCO粉末顆粒尺寸約為40nm。材料的致密度和燒結(jié)收縮率隨著燒結(jié)溫度的升高而不斷升高,當(dāng)燒結(jié)溫度超過1400℃,PCO燒結(jié)體的致密度均可達到95％以上。通過電化學(xué)阻抗譜對材料的電導(dǎo)率測試結(jié)果表明,在燒結(jié)溫度為1450℃測試溫度為800℃時,PCO樣品電導(dǎo)率達到最大值7.12×10-2 S cm-1。
　　 近來,具有K2NiF4結(jié)構(gòu)的A28O4型復(fù)合氧化物在SOFC陰極材料的應(yīng)用受到重視。此氧化物具有電子-氧離子混合電

4、導(dǎo)特性,比ABO3型陰極材料在電化學(xué)、熱化學(xué)性能及表面交換能力方面具有一定優(yōu)勢。由于Pr在所有鑭系稀土元素中電導(dǎo)率最高、過電位最低,所以本文選用錯系K2NiF4結(jié)構(gòu)陰極材料做為研究對象,采用甘氨酸-硝酸鹽法制備了不同Cu含量的Pr2Ni1-xCuxO4(PNCO)陰極材料。通過XRD、激光粒度儀等設(shè)備對PNCO粉末進行了表征,采用掃描電鏡對材料的組織和微觀形貌進行觀測,并對其電導(dǎo)率進行了測試分析。得到以下結(jié)論:甘氨酸-硝酸鹽法可以合成出

5、結(jié)構(gòu)均勻、性能穩(wěn)定的超細陰極材料粉末。獲得的前軀體粉末在1000℃下煅燒,即可獲得具有K2NiF4結(jié)構(gòu)的PNCO粉末。隨著燒結(jié)溫度的升高和Cu含量的增多,燒結(jié)體的孔隙率都不斷減小。從掃描電鏡結(jié)果可以看出PNCO陰極材料具有多孔結(jié)構(gòu),且其孔隙率大于30％,顆粒尺寸小于2μm。當(dāng)燒結(jié)溫度為1050℃時,可以獲得孔隙率合理、孔徑分布均勻的PNCO陰極材料。PNCO陰極材料電導(dǎo)率隨燒結(jié)溫度的升高而增大,隨測試溫度的升高而減小,Cu含量越高其電導(dǎo)

6、率越小。Pr2Ni0.6Cu0.4O4樣品在1050℃下燒結(jié)后,其在測試溫度為500℃時電導(dǎo)率達到最高值130 S cm-1,滿足了SOFC對陰極材料的要求。
　　 為了深入研究上述合成的電解質(zhì)和陰極材料應(yīng)用于SOFC單電池的可能性,本文以Ce0.8Pr0.2O1.9電解質(zhì)和Pr2Ni0.6Cu0.4O4陰極材料作為基體制備了三種不同的單電池,并對電池的電化學(xué)阻抗譜、輸出功率、性能的長期穩(wěn)定性以及各電極界面結(jié)合狀態(tài)等進行測試。可

7、得出以下結(jié)論:Ni-SCO/SCO/PNCO單電池在800℃開路電壓為0.75V,最大功率密度為308 mW/cm2,比表面電阻0.19Ω·cm2,歐姆電阻為0.08Ω·cm2。同時,Ni-SCO/PCO/PNCO和Ni-SCO/PCO/BSCF這兩個單電池在800℃最大功率密度分別為360 mW/cm2和302 mW/cm2。這說明Ni-SCO/PCO/PNCO單電池比其他兩種電池性能更好。單電池的陽極、電解質(zhì)和陰極厚度分別約為1mm