掺杂Cu对中温固体氧化物燃料电池阴极材料YBaCo2z+讲解

1、 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）GraduationProject (Thesis) for Undergraduate of LSHU 题 目掺杂Cu对中温固体氧化物燃料电池阴极材料YBaCo2-xCuxO5+(x=0.2, 0.4, 0.6)的性能影响 TITLEThe performance of Cu doped YBaCo2-xCuxO5+(x=0.2, 0.4, 0.6) cathode materials for IT-SOFC学 院理学院SchoolFacultyof science专业班级Major&Class姓 名Name指导教师Su

2、pervisor 20 年 月 日论文独创性声明本人所呈交的论文，是在指导教师指导下，独立进行研究和开发工作所取得的成果。除文中已特别加以注明引用的内容外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并致谢。本声明的法律结果由本人承担。特此声明。论文作者（签名）： 年 月 日 摘要固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种环保的绿色能源，固体氧化物燃料电池可以将化学能直接转化为电能，它的优点有燃料使用面广，能量的转换效率高及环保等。因为传统的燃料电池通常是在高温下进行的，使得成本高，不适合商业上的应用。因此，研究人员开始研究

3、中温固体氧化物燃料电池。但随之又会产生一些问题，当我们去降低燃料电池工作温度的时候，会使极化电阻的值变大，因此人们开始研究高化学性能的阴极材料，这样才能使得燃料电池商业化。在之前的研究中我们已经知道使用LnBaCo2O5+作为阴极材料的固体氧化物燃料电池具有较高的电化学性能，所以我们这篇文章研究了不同Cu掺杂量对YBaCo2-xCuxO5+阴极材料的性能影响。用固相反应法制备YBaCo2-xCuxO5+（x=0.2，0.4，0.6）阴极材料，SDC电解质的材料和阳极材料中的NiO都是采用甘氨酸一硝酸盐的方法制备的，之后得到阳极粉末，最后采用SDC电解质支撑的单电池来进行进一步的测试。合成的YB

4、CC4和YBCC6先进行XRD测试确定阴极材料结构，然后通过XRD的测试得到的结果得出阴极材料与电解质的化学兼容性，采用四电极法来测试样品的电导率，之后用热膨胀仪来测出热膨胀系数，最后得出YBaCo2-xCuxO5+（X=0.4和X=0.6)阴极材料的单电池性能。 关键词：钙钛矿，固体氧化物燃料电池，阴极材料，电导率，热膨胀系数 AbstractThe solid oxide fuel cell (SOFC), which can convert chemical energy directly into electricity , is an environmentally and frie

5、ndly green energy. It has many advantages such as a wide range of fuel use, high energy conversion efficiency and environmental protection. Because the conventional fuel cell is typically conducted at very high temperature, which lead to high cost and is not suitable for commercial application. Ther

6、efore , the researchers began to invent intermediate-temperature SOFCs. When we go to reduce the operating temperature of the fuel cell, there will be some new problems causing polarization resistance value increase , so people began to study the cathode material with high-chemical properties to mak

7、e the fuel cell commercialization.In previous studies, we already know that as a cathode material of solid oxide fuel cell the LnBaCo2O5+has a high electrochemical performance,so in this article we study the performance of YBaCo2-xCuxO5+ cathode material for intermediate-temperature solid oxide fuel

8、 cells. The cathode materials of YBaCo2-xCuxO5+（x=0.2，0.4，0.6）were prepared with a solid-state reaction.The electrolyte material of SDC and anode material of NiO were synthesized by a glycine-nitrate process.After getting anode powder, we test the cell supported by SDC electrolyte .Firstly YBCC4 and

9、 YBCC6 were tested by XRD to determine the structure of the cathode material,then by the results obtained we can know the chemical compatibility of the cathode material with the electrolyte .The conductivity of the sample was tested by the Four-electrode method , and using the thermal expansion inst

10、rument measure the coefficient of thermal expansion.In the end ,we can know the performance of the single cell with YBaCo2-xCuxO5+（X=0.4,X=0.6) cathode material.Key words: Solid oxide fuel cell; Perovskite; Cathode materials; Electrical conductivity; Thermal expansion coefficient.V 目录摘要IAbstractII目录

11、III第一章 燃料电池概述11.1燃料电池概述1 1.1.1燃料电池发展的历史和前景1 1.1.2燃料电池的工作原理2 1.1.3燃料电池的优缺点31.2固体氧化物燃料电池4 1.2.1固体氧化物燃料电池原理4 1.2.2固体氧化物燃料电池优点5 1.2.3固体氧化物燃料电池结构类型5 1.2.4固体氧化物燃料电池的组件及性能要求81.3固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展91.4本文研究意见及内容10第二章 YBCC阴极材料的制备与性能研究112.1 样品的制备11 2.1.1 YBCC（x=0.2,0.4,0.6）阴极材料的制备11 2.1.2 电解质材料的制备12 2.1.3 阳极材料的

12、制备12 2.1.4 单电池的制备122.2 YBCC阴极材料的性能研究12 2.2.1阴极材料的物相（XRD）和化学兼容性12 2.2.2 YBCC阴极材料的高温电导率15 2.2.3 YBCC阴极材料的热膨胀系数17 2.2.4 YBCC阴极材料的单电池性能18 第三章 结论与展望203.1 实验结论203.2 展望20参考文献21谢辞 23 第一章 燃料电池概述1.1燃料电池概述 1.1.1燃料电池发展的历史和前景燃料电池料电池的工作原理是将燃料和氧化剂之间的化学反应通过电极装置转化为电能。1839 年，开始有了燃料电池。在这之后的l00年以后, F.TBacon使用了双层骨架多孔气体扩

13、散电极，成功地完成了三相交界的电化学反应,三相界面的反应区分别是固，液，大气，使得燃料电池的开发进一步接近了实际的应用1。由于高能量转换效率的燃料电池，在发电时的污染和噪声是非常小的，不受卡诺循环的限制，因此在50年代，国际上对燃料电池的研究热潮的兴起，达到高潮是在60年代。在当时航空领域开始应用了燃料电池，到了70年代，因为战争引起了能源不足，所以人们又进一步地去研究燃料电池。到了80年代的时候，逐渐开始了对兆瓦级磷酸型燃料电池进行研究，建立电站，最大的电站达到10兆瓦级2，90年代以来常温离子交换膜、直接氧化甲醇以及中温熔融碳酸盐、高温固体氧化物电解质燃料电池都得到了显著进展3,4。在未来

14、的发展中，由于化石燃料的量是有限的，我们要使用太阳能和核能竟会是主要的能源物质，在将来，利用燃料电池进行发电会倍受人类的关注。使用化石燃料会造成环境污染，根据当时的数据统计可以得到，在城市空气所含有害物质中66 %的CO、45%的 NO2、35%的C和3l%的 VOCs 几乎都来自汽车所排出的废气5。用普通蓄电池作动力的车辆虽然不会造成污染，但每一次充电后只能行驶有限的距离。所以当时很多国家都开始去研究燃料电池。其中美国对燃料电池的重视程度是最大的。使用燃料电池作动力的车则不一样，使用甲醇等液体燃料的燃料电池电动车和通常汽车一样能行驶很长的距离，也能方便地补充燃料，而且使用燃料电池作动力的能量

15、转换效率高、振动小、噪音低、减速平稳和加速6。所以，燃料电池将会作为现在车辆的能源。在燃料电池的实际应用过程中，把经济放在第二位,把燃料电池的研究放在第一位，例如航天、军事等 ，当前国际上电站的建设价钱是1000美元/kw，但把燃料电池作为地面商业化发电设备是3000美元/kw，假如按目前的发展来看，能够降到1500 美元kw ，但我们会想到传统的发电设备会排放的NO2、SO2等污染，我们在处理这些污染的时候也会花费一些费用，这样一来燃料电池是我们更为经济的选择7。随着燃料电池的发展技术逐渐的成熟，只要人类开始积累更多的生产经验，并扩大生产规模，燃料电池就会在我们的实际生活中得到充分的应用，在

16、当前的技术发展的情况来看，DMFC在电催化和功率密度等方面还的需要我们进一步的去研究，还需要一些时间去研究才能在我们的生活中得到应用。 1.1.2燃料电池的工作原理我们常见的燃料电池有磷酸燃料电池，质子交换膜燃料电池，固体氧化物燃料电池，碱性燃料电池，不同类型的燃料电池的工作原理基本类似，所以这里我们以质子膜燃料电池为例，来说明燃料电池的工作原理。质子膜燃料电池是用一种特殊的燃料电池，质子膜燃料电池是通过一种质子交换膜和催化层而产生电流的一种装置，这种电池只要外界不断地供应氢气或甲醇燃料，电能就可以持续并不断的使用8。质子膜燃料电池的工作原理是通过使用质子交换膜技术来实现的，通过交换膜氢气分解

17、变为质子，这些质子抵达阴极后，氢气被分解出电子，这样就产生了电流8。 燃料电池是通过氢与氧气进行反应，反应之后生成水的同时产生了电流，这个过程是电解水的逆向反应过程。燃料电池的阴极是通过负载得到电子并产生电流。燃料电池的阳极能够得到H+，然后放出电子；阴极的O2-与阳极的H+经过化学反应生成水。产生的水由于在燃料电池反应时会产生温度，会使水蒸发，扩散到空气中9。如图1所示，燃料电池工作原理的示意图。 图1 燃料电池工作原理示意图 根据之前所说的燃料电池的工作原理，我们只要向里边放燃料，就会一直得到能量。当前已经有了很多公司研发出了小管形状的燃料电池，使用方便，然而缺点是里面的燃料要频繁的更换，

18、这种燃料电池正在进一步的研发中。在本文的研究中，重点研究的是固体氧化物燃料电池。 1.1.3燃料电池的优缺点优点：1.节能，转换效率高，不需要石油燃料 2.排放达到零污染 3.车辆性能接近内燃机汽车 4.结构简单，运行平稳缺点：1.燃料种类单一 2.要求高质量的密封 3.比功率还要进一步提高 4.造价太高 5.需要配备辅助电池系统10 1.2固体氧化物燃料电池 1.2.1固体氧化物燃料电池原理SOFC和别的燃料电池的原理一样，都是通过化学能转换为电能，但是它的最高温度是1000，温度较高，固体氧化物燃料电池的组成也是通过阴极，阳极，还有电解质组成。具有催化作用的阳极能够吸附通入的燃气，将吸附到

19、的燃气扩散到电解质和阳极里1。因为阴极自身具有催化作用，在阴极通入氧气，使得氧气得到电子变成O2-，因为浓度梯度的作用，使得O2-到达了固体电解质与阳极的界面，之后与充入的燃气进行反应，使得氧失去的电子回到阴极12它的电化学反应过程如图2所示 图2 固体氧化物燃料电池电化学反应过程示意图SOFC是一种全固态结构，它不但具有其它燃料电池的优点，而且它的燃料并不需要纯氢，只需要可燃的气体即可，它也不需要贵重的金属作为催化剂。由于SOFC采用了陶瓷材料作为它的电解质，使得其运行的温度在600-1000之间，不但使得反应进行的速度加快，而且还使得燃料气体在电池内部进行还原，使得设备变得更加简化。这种电

20、池产生的温度足够高，而且它的热量清洁环保，能量的利用率足够高，大约达到了80%，是一种真正的清洁能源。1.2.2固体氧化物燃料电池优点SOFC与之前的燃料电池相比较具有以下优点：阳极和阴极的极化发生在电解质内可以忽略；它的成本低，产生的热量高，能量的利用率高，适合大规模的联产；它可以不用纯氢作为材料，使用其他的燃料也行，例如甲烷、甲醇；它还有效地避免了熔盐电解质的腐蚀和封接问题，也同时避免了低温燃料电池和中温燃料电池的酸碱电解质；因为SOFC使用的是陶瓷作为电解质，它的温度要求是在600-1000之间，是一种偏中高温的电解质，这样的温度使得反应的速度进行的更快，也使得多种C、H燃料的气体能够在

21、电池内部进行还原，使得燃料电池的设备更加简化；SOFC电池是一种有着较高电流密度和功率密度的燃料电池，它也是一种具有全固态结构的燃料电池13。1.2.3固体氧化物燃料电池结构类型单电池由于功率小产生的电压也比较小，能达到的值是1v左右，我们如果想得到更高的功率，我们可以把多个单体燃料电池通过并联的方式去实现电压的增强14。 图3 管式结构固体氧化物燃料电池组 （a）单体电池 （b）单电池间的连接在当前的研究中，主要研究了管式结构的单电池和平板结构的单电池，在以前，研究人员最先研发的是管状结构的单电池15,16，单电池的组成，电池的一端是闭合的，另一端是开口的，组成管状结构的单电池如图3（a）所

22、示，它的内部是一个多孔支撑管，它的结构组成是阳极薄膜，电解质，阴极组成，工作原理是：氧气从管芯输入，再管的外部通入燃气，在当前研究中管状结构的单电池可以运行数万个时辰，通过阴极和阳极连接形成的电池堆如图3（b）所示17,18，其中阳极和阳极连接起来是并联，阳极和连接体连接起来是串联。它的一个基本的单元是由6个电池串联在一起形成1组，3组并联形成的。电池堆是8个基本单元形成的，也就是144个单体燃料电池组成的，它的发电功率达到3KW19,在当前所研究的燃料电池中管状结构是最成熟的一种单电池。管状结构的单电池的特点如下：（1）不需要高温度的封闭，能够很容易的连接，但是在电流流经阴极、阳极的内壁的时

23、候，由于路径长，使内阻的损失变大；（2）采用的支撑管的厚度比一般的大，使得气体扩散的时候，经过这个管变成了速率控制步骤；（3）这种管状结构的单电池的自由度比较大，不容易开裂；（4）生产这种燃料电池由于采用的是电化学汽相沉积，所以使得成本高20。 图4 平板式结构固体氧化物燃料电池组 （a）单电池结构 （b）电池堆结构 除了管状结构还有平板式结构，这种结构是在近期才研发出来的，平板式结构的单电池在设计上比别的电池简单，它的组成图如图421。它的组成也是通过阴极和阳极还有电解质组成的，在两边的连接体连接的是阴极和阳极，在两侧使得气体进出，还能同时隔开两种气体，在当前的平板式燃料电池研究中，也开始了

24、对电池堆的研究。在平板式燃料电池堆中，电池间的连接方式是串联连接的，电流在各个薄层中流动，流动的路径短，使得内阻的亏损小，能量密度比较大；平板式结构的电池结构比较灵活，气体能以各种方式流通；电池中每组的单元是分开工作的，这样的优点是使得电池的质量更好的控制，制备的工艺更加简单；采用了电解质薄膜设计，使工作温度降低，现在研究人员的难点是气体密封的实现，如果采用陶瓷压缩进行封闭，会造成各个层之间出现裂纹；连接处电阻高，损失大22。1.2.4固体氧化物燃料电池的组件及性能要求单体燃料电池主要组成部分由阴极、阳极、电解质和连接体组成。电解质是单电池的核心材料，电解质性能的好坏能够体现出电池的性能和工作

25、时所需要的温度。在当前的研究中，我们大多数使用ZrO2作为单电池的电解质，ZrO2在1000的温度下，它的导电率很低，仅仅是10-7Scm-1，这个电导率的值接近了绝缘物质，我们在ZrO2中添加一些2价、3价的金属氧化物，其中低价的金属离子占据了Zr+4的位置，从而使实验中不但在中温的时候结构稳定，而且在高温时也能使结构稳定，由于电中性的原因，使得材料中出现了很多O2-的空位，这样使得离子的电导率增加，电导率在高温时能够达到10-2-10-1Scm，也使得离子导电的氧分压的范围得到扩展。当前我们经常用到的电解质的材料有Y2O3和ZrO2，它们在氧分压变化10几个数量级的时候，离子的电导率都不会

26、产生变化23。电极材料首先本身是一种催化剂。对于固体氧化物燃料电池的阴极材料而言，要使它的电子的电导高，在还原的过程中，能够维持优秀的透气性能。在实际的应用中，我们常常使用Ni粉洒在金属陶瓷中，固体氧化物燃料电池的阴极材料的工作环境要求在高温的环境下，阴极材料的作用是扩散氧还有保持电子的传递，对于使用的阴极材料应该具备高温抗氧化性，在高温的环境下有高的电导率和稳定性，并要求不能与电解质发生反应，通过研究人员足够的实验证明，LaSr1-xMnO3阴极材料是首选的材料24。在电池中起着连接作用的是连接材料，它能够将阴极一侧的氧气和阳极一侧的燃气隔离。在固体氧化物燃料电池中，连接体材料应该具有以下几

27、点的要求（1）材料的化学性要稳定；（2）晶相要稳定；（3）在高温下、还原气氛还有氧化中的组成要稳定；（4）电解质组的材料和热膨胀系数能够相匹配；（5）还要具备高温下良好的导电性和杰出的气密性。所以具有钙钛矿结构的LaCrO3是连接体材料的首选，对于在高温下具有低膨胀系数的合金材料也是当今连接体材料的研究对象25。1.3固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展在对固体氧化物燃料电池的研究中最大的困难就是降低它的工作温度。但随着温度的降低，电极的反应速度变慢，使极化电阻增加，而阴极的极化在电池的总极化中占有相当大的比例26,27。因此，研究开发具有高电化学活性的阴极材料显得比较重要。研究人员最开始只是

28、研究材料的性能和电导率，但在研究的过程中，他们有了很大的发现，电极的效率不但受电导率的影响，材料对氧气的催化活性同样也不能忽视；于是，研究人员在以后的试验中还应当去对阻抗谱得到的阴极反应的先后顺序，对氧分子的传递的能力，还有对阴极材料的极化等它们的化学性能进行相互的对比，得到相应的结果。根据材料的电学性质，阴极材料可以分为两种：第一种是主要以电子进行导电的阴极，如：Ag，Pt，Rb等贵金属材料阴极，钙钛矿型Sr掺杂的锰酸镧复合氧化物阴极等，在高温固体氧化物燃料电池中最常用的阴极材料是LSM；第二种是混和电子电导和离子电导的阴极材料，在当时一直被人们所研究28。这种材料表现的特点中不但有高的电子

29、电导，而且具有高的离子电导，所以之后的中低温固体氧化物燃料电池中一直用这种阴极材料。 目前主要研究的阴极材料分为两大类：(1)采用混和离子电导和电子电导的阴极材料，这类材料分为两种，一是钙钛矿结构的ABO3型氧化物，包括分别对A位和B位进行掺杂的单掺杂，以及对A位和B位同时掺杂的双掺杂结构；另一种就是A2BO4型氧化物，它的结构与钙钛矿型的相近；(2)形成复合阴极材料，采用的是高离子电导的材料和高电子电导的材料，或贵金属材料与电导率较好的材料复合，从而制备了活性和电导率较高的阴极材料29。我们在选择阴极材料的时候应该具有高的电化学活性，同时也要和电解质兼容性相吻合，所以我们选则阴极材料的时候应

30、该使电解质与阴极材料相吻合，之后我们常在阴极材料中掺入电解质材料，让他们的热膨胀系数相差不多。研究人员在研究阴极材料的时候，他们做出的贡献主要是与电解质相吻合，化学稳定性，阴极的极化，热稳定性等方面的研究。1.4本文研究内容 从目前SOFC阴极材料的研究现状分析，要降低钴基钙钛矿结构氧化物的TEC、实现与电解质材料的TEC匹配，可以采用两种途径。采用的第一种途径是在复合阴极材料中添加一些电解质的组成成分，还能够通过增大离子导体相-电子导体相-空气三相界面增强阴极的氧还原催化活性。例如，徐等人30合成了质量比为50:50的La0.6Sr0.4CoFeO5+-SDC复合阴极粉体，其TEC值降低至1

31、4.4l0-6K，显著改善了电解质与阴极的热膨胀匹配问题。钻基钙钛矿结构氧化物TEC高的本质原因在于B位Con+(n=2，3，4)的还原变价31，因此，降低TEC的另一种有效方法是进行B位掺杂，即以价态稳定的其它过渡金属元素如Fe3+、Cu2+、Sc3+等32,33代替部分Con+。例如GaBaCoCuO5+通过引入Cu2+成功将其TEC值降低到15.110-6K。同时根据电中性原理，在B位通过掺杂低价金属离子替代高价Con+可调控阴极材料的氧含量，从而进一步优化其性能。 所以，我们选择了YBaCo2-xCuxO5+材料作为研究的对象，通过在B位掺杂不同含量的Cu不同来做进一步的性能研究。 第

32、二章 YBCC阴极材料的制备与性能研究2.1 样品的制备 2.1.1 YBCC（x=0.2,0.4,0.6）阴极材料的制备用固相反应法制备YBaCo2-xCuxO5+ (x=0.2,0.4,0.6)样品，固相反应在固体材料的高温过程中是一个普遍的物理化学现象，从总的方面来说，只要是有固相参加的反应我们都叫它为固相反应，具体点的来说，液体和固体之间的反应还有固体的热分解、氧化还有固体和固体之间都叫固相反应13。但从狭义上，固相反应常指固体与固体间发生化学反应生成新的固体产物的过程。样品的具体制备过程如下： 2.1.2 电解质材料的制备本实验中使用的是La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O2.

33、8 (LSGM)作为电解质，LSGM的制作是通过把La2O3，SrCO3，MgO还有Ga2O3按照精确的化学计量比进行混合34，之后我们把混合后的材料和有机分散剂、有机单体还有水等进行混合，在混合物中加入适量的催化剂和集合反应引发剂，把混合物注入事先准备好的模型中，固化之后拿掉模型，在850C煅烧6小时，之后自然冷却后，开始用研钵进行研磨，得到LSGM粉末进行压片，最后在1450C烧结10小时，获得致密的LSGM电解质片35。2.1.3 阳极材料的制备在本文的研究中我们使用的是复合阳极材料Ni-SDC，其中NiO是采用甘氨酸一硝酸盐法方法制备的，之后在Ni(NO3)36H2O水溶液中加入一些甘

34、氨酸，通过加热使温度升高，把水分蒸发掉之后，使材料能够自燃，之后就可以得到我们所需的NiO的粉末，将SDC和NiO的粉末按照35：65的比例进行混合，得到了阳极粉末35。 2.1.4 单电池的制备我们的单电池的制备过程如下所示：首先将电解质用砂纸打磨成0.3 mm厚度，在电解质的一侧涂上SDC缓冲层，在1300下烧结1小时，然后用丝网印刷法将制备好的阳极Ni-SDC（65：35）浆料涂于电解质片的这一侧，在空气中1250烧结4 h；我们采用相同的方法在电解质的另一侧涂抹阴极浆料，在930的空气中烧结2h；最后用银导电胶将涂有电极的电解质片密封于氧化铝管的一端(阴极侧朝外)，制备成电池性能测试所

35、需的单电池36。2.2 YBCC阴极材料的性能研究 2.2.1阴极材料的物相（XRD）和化学兼容性为了书写方便，我们把YBaCo2-xCuxO5+（X=0.2,0.4,0.6）分别写成了YBCC2、YBCC4和YBCC6,之后对合成的YBCC2、YBCC4和YBCC6进行XRD测试确定阴极材料结构。使用X射线衍射分析物相最常用的方法之一。X射线衍射的基本过程是：因为所用的晶体材料是由有规律排序的晶胞在晶体材料中，当有单色光射在晶体上时的时候，入射光线X射线的波长与这些有规律排序的原子之间相互的距离有相同的数量级，所以，不同原子之间散射的X射线相互干涉，它们会在一些不同的方向上产生很强的X射线衍

36、射，所以晶体的结构特征与衍射线在空间分布的强度和方向有着密切的联系。在对样品的测试中，由于YBCC2样品XRD测试有杂峰，所以我们只给出了YBCC4和YBCC6的XRD图谱，如图5所示。 图5 930C合成的YBCC4和YBCC6样品的XRD测试光谱图像由图5可知，掺杂的两种样品获得了单一钙钛矿结构的纯相，均为单相、四方结构的YBCC材料。然后将930C合成的YBCC4和YBCC6分别与LSGM混合，混合的比例按1:1质量比，将混合物在加酒精的玛瑙研钵中研磨1小时，然后在900C烧结10小时，将最后获得的混合粉末，做一个XRD谱，测试阴极材料和电解质之间的化学兼容性。实验的测试结果如图6和图7

37、所示。 图6 YBCC6阴极材料与LSGM电解质化学兼容性 图7 YBCC4阴极材料与LSGM电解质化学兼容性通过图6和图7的实验结果来看，YBaCo2-xCuxO5+（x=0.6）和YBaCo2-xCuxO5+（x=0.4）阴极材料分别和LSGM电解质的XRD图谱中均没有出现杂峰，表明它们在900时的的化学兼容性良好。 2.2.2 YBCC阴极材料的高温电导率对上面压成片状的样品做电导率的实验测试，我们采用四电极法进行测试，四电极法的基本原理就是当满足如下条件时，样品的体电阻可以通过测量其面电阻来决定：（1）触点必须位于圆周上；（2）触点要充分小；（3）样品的厚度均匀；（4）样品的表面均匀且

38、没有单独的孔洞。导出四个电极的前提是在严格满足要求的待测样品圆片上按要求测量，分别接在多用表的电压端和恒流源数字源表的电流端37，就能够都得到想测的直流电阻R1=VDC/IAB，为了更好的消除样品触点的不完全对称性以及形状的不规则对实验结果造成影响，我们要改变电极的连接方式如图8所示。 图8 四电极法原理示意图（a、b、c、d为触电）之后再次测量样品的电阻R2=VDC/IAB。然后由下式计算样品的电阻率： （其中f(R1/R2)为Van der Pauw函数，t为样品厚度） 图9 YBCC4和YBCC6阴极材料随温度变化的电导率从图9可以看出对于YBaCo2-xCuxO5+（x=0.4）的样品

39、，大约在350C的时候，它的导电特征发生转变，半导体导电特性向金属导电特性的转变。在300800oC温度范围内的电导率值分别为57.6074.25S cm1和74.2569.25S cm1。而YBaCo2-xCuxO5+（x=0.6）样品随着温度的增加，电导率的值从30的23.60Scm1增加到了800的102.55Scm1，一直保持着半导体导电的特性。通过比较可以得出YBaCo2-xCuxO5+（x=0.6）在300-550时的电导率比YBaCo2-xCuxO5+（x=0.4）的电导率低，在500-800的时候电导率比YBaCo2-xCuxO5+（x=0.4）的电导率高，可以得出在550之后

40、随着Cu的掺杂量的增多，电导率增加。2.2.3 YBCC阴极材料的热膨胀系数本文中的热膨胀系数是指材料的线性热膨胀系数，实验仪器：热膨胀仪，测得上述柱状样品的热膨胀曲线如下图所示 图10 YBCC4和YBCC6样品的热膨胀曲线图 表1 YBCC4和YBCC6样品的热膨胀系数 从图中的关系得出，在30-900，YBaCo2-xCuxO5+（x=0.4）和YBaCo2-xCuxO5+（x=0.6）样品的热膨胀曲线近似呈直线关系，YBCC4的平均热膨胀系数是14.6110-6K-1，YBCC6的平均热膨胀系数是14.1010-6K-1，通过比较可以得出YBaCo2-xCuxO5+样品的平均热膨胀系数

41、随着Cu的掺杂量的增多而减少。 2.2.4 YBCC阴极材料的单电池性能 图11 YBCC4单电池的伏安特性曲线和输出功率曲线 图12 YBCC6单电池的伏安特性曲线和输出功率曲线 表2 YBCC4和YBCC6单电池测试的功率密度结果 由图11 和图12可知。在700-850，随着温度的升高，单电池的功率密度逐渐增加，通过图11和图12的比较可知，随着Cu含量的增加，单电池的功率密度减小。由表2的数据可以得出，在700的时候YBCC4和YBCC6的功率密度相差不多，随着温度的升高，到了850的时候，YBCC4的功率密度是963.9mWcm-2，YBCC6的功率密度是855.9mWcm-2，YB

42、CC4的功率密度比YBCC6的功率密度大，可以得出在700的时候，Cu含量的增加，对单电池的功率密度影响较小，随着温度的升高，到了850的时候，随着Cu含量的增加，单电池的功率密度的大小产生显著的结果，单电池的功率密度减小。 第三章 结论与展望3.1 实验结论本实验通过固相反应法合成了X=0.4和X=0.6的YBaCo2-xCuxO5+阴极材料，并对它的物相（XRD）和化学兼容性、高温电导率、热膨胀系数、单电池的性能进行了实验研究。掺杂的YBCC4和YBCC6两种样品都获得了单一钙钛矿结构的纯相，为单相、四方结构(空间群为4mmm)，测试得出YBaCo2-xCuxO5+（x=0.4）阴极材料和

43、YBaCo2-xCuxO5+（x=0.6）阴极材料分别与LSGM电解质的化学兼容性良好，测试电导率时，采用四电极法，从实验的结果可以看出YBaCo2-xCuxO5+（x=0.4）样品，大约在350的时候，样品的导电特性发生了转变，由半导体的导电特性转变为金属的导电特性。YBCC4在800温度下，电导率的值达到69.25S cm1。而YBaCo2-xCuxO5+（x=0.6）样品在300800测试温度范围内一直保持着半导体导电的特性，在800时电导率值达到102.22S cm1。利用热膨胀仪测出样品的热膨胀系数，在30-900的温度下，YBaCo2-xCuxO5+（x=0.4）和YBaCo2-x

44、CuxO5+（x=0.6）样品的热膨胀曲线近似呈直线关系，YBaCo2-xCuxO5+样品的平均热膨胀系数随着Cu的掺杂量的增多而减少。在700-850，随着温度的升高，单电池的功率密度逐渐增加，可以得出随着Cu含量的增加，功率密度也随之增加。3.2 展望通过上述实验，我们可以得知，获得的高性能、低成本的含Co量低或无Co的YBaCo2-xCuxO5+阴极材料，应用到中温固体氧化物燃料电池中表现了优良的电化学特性，而且少量Cu的掺杂可以保持较高燃料电池的电化学性能的同时，降低材料的热膨胀系数，因此，可以少量改变YBaCo2-xCuxO5+材料中的Cu的比例，例如X=0.1，0.3，0.5，0.

45、7等比例来进一步实验，得出相应的结论。 参考文献1彭苏萍，韩敏芳，杨翠柏等.固体氧化物燃料电池J.技术与市场, 2004(2):90-942查全性应甩化学 ，1993：10(5)：383Third Grove fuel cell symposiumJ .Platinum Metals Rcv，1993:37(4):19724Fourth Grove fuel cell symposiumJ .Platinum Metals Rcv，1995:39(4):1605鲍明伟.21世纪汽车新能源-燃料电池J.无锡教育学院学报,2001(1):52-546孔令华.直接甲醇燃料电池测试系统集成及实验研究D

46、.大连理工大学:20067侯剑华.国际能源技术前沿热点领域演变的可视性J.中国科技论坛,2008(11):140-1448王振.质子交换膜燃料电池系统特性仿真研究D.山东大学:20079周运鸿.燃料电池J.电源技术,1996(2):37-4310赵会平.燃料电池的发展J.电源技术应用,2004(8):498-50011彭苏萍，韩敏芳，杨翠柏等.固体氧化物燃料电池J.技术与市场, 2004(2):90-9412Minh NQ ，Takahashi T. Science and technology of ceramic fuel cellsJ,Elsevier Science BV，ISB N：

47、0-444 -895668-X，U.S.A. 1995,11:513徐华伟.LaBaCu(Fe)O_(5+)基层状钙钛矿中温固体氧化物燃料电池阴极材料的性能研究D.吉林大 学：201314Minh NQ，Science and Technology of Zircoma( V )In：Badwal S P S，Bannister M J，Hannink R H JedsLancaster，P A，USA J：Technomic Publishing Company，1993:65215lsenberg AO,In:1982 National Furl Cell Seminar Abstract

48、, November 14-l8,1982，Newport Beach，C A， Courtesy Assoeiates，Washington，DCD，1982，15416EdsBerry D A Mayfield M JFuel Cells Technology Status Report，Report NoDOEMETC 一 890266 ，USDepartment of Energy，Washington，DCD，198817 Westinshouse Electric Corporation. Solid Oxide Fuel Cel l Power Generation System

49、，The Status of the Cell Technology A TopicalReport ，ReportNoD O EE T17089 15 ，U .S .D epartment of Energy，Washington，D CD，198818高阳.中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备及性能研究D.吉林大学:200619Veyo SEIn ：l988 Fuel Cell Seminar Abstraels，October 2326 ，19 8 8 ,LongBeach，C A， CourtesyAssociates，Washington，DCD，1988,1320彭苏萍，韩敏芳，杨翠柏等.固体氧化物燃料电池J.技术与市场, 2004(2):90-9421Lundberg W L. S