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  • 學位論文

摻雜錳銅對中溫型固態氧化物燃料電池陰極材料鑭鍶鈷鐵之特性影響

The effect of Mn、Cu dopant on cathode (La,Sr)(Co,Fe)O3 materials for IT-SOFC.

指導教授 : 王玉瑞 王錫福

摘要


本研究使用固態合成法製備具鈣鈦礦結構的陰極粉末,於陰極材料La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ中B-site摻雜不同含量的Mn或Cu元素,探討其物性及化學穩定性;並利用Mn、Cu單摻雜或共同摻雜La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ,嘗試將鈣鈦礦B-site元素的配比改變與調整,期望開發出室溫至800℃其熱膨脹係數13 × 10-6 /K以下,導電率達100 S/cm以上,並符合陰極各項基本要求之最佳材料。 結果顯示熱膨脹係數會隨著Mn元素增加而降低,晶粒尺寸隨之變小,但卻會使導電率明顯下降;摻雜Mn元素有使相穩定之優點,並且會抑制晶粒的成長,將其特點應用於全電池中,當陰極顆粒較小時可增加陰極材料的氧催化能力。而以Cu元素摻雜La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ可改善其導電率,會降低粉末合成之煆燒溫度及塊材燒結溫度,並且在較低溫燒結下就可得到高的導電率。 本研成功究開發出新型之五元及六元陰極材料,結果顯示最佳實驗配比為La0.6Sr0.4Co0.1Fe0.7Mn0.1Cu0.1O3-δ與La0.6Sr0.4Co0.1Fe0.8Cu0.1O3-δ。六元陰極材料La0.6Sr0.4Co0.1Fe0.7Mn0.1Cu0.1O3-δ其室溫至800℃之熱膨脹係數為12.5×10-6 /K,以1150℃持溫2 h燒結之塊材,在800℃操作溫度下導電率可達136 S/cm,優於相同燒結條件下的商業化La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ陰極材料。五元之陰極材料La0.6Sr0.4Co0.1Fe0.8Cu0.1O3-δ,室溫至800℃之熱膨脹係數為12.2×10-6 /K,於較低之燒結溫度1100℃持溫2 h,即可得到在操作溫度800℃下導電率184 S/cm。並且此材料低溫操作階段有較高之導電率340 S/cm,日後應用於低溫型之燃料電池也可適用。 本研究之陰極材料皆與SDC20電解質具有非常良好的化學穩定性,熱處理溫度高達1100℃時並無第二相之產生。

並列摘要


In this study, the physical properties and chemical stability of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ with different dopants of Mn or/and Cu were investigated to find out the optimum substitution. The samples with the coefficient of thermal expansion lower than 13×10-6 /K from room temperature to 800℃ and the conductivity higher than 100 S/cm at 700 ℃ were set to be the final research target. The results show the grain size and the thermal expansion coefficient decrease, and the conductivity also declines when the amount of Mn addition increases. Mn partial replacing Fe could enhances the phase stability and suppresses the grain growth, and the smaller the grain size, the faster the rate of oxygen catalytic reduction. Substituting partlial Fe for Cu not only lowers the calcination and sintering temperature, but also improves the conductivity. The composition of La0.6Sr0.4Co0.1Fe0.7Mn0.1Cu0.1O3-δ gives the thermal expansion coefficient about 12.5×10-6 /K and the conductivity of 136 S/cm at 800℃ better than that of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ. The samples with the composition of La0.6Sr0.4Co0.1Fe0.8Cu0.1O3-δ show the lowest thermal expansion coefficient about 12.2×10-6 /K, and have higher conductivity about 184 S/cm at 800℃, and 340 S/cm at 500℃. that could also be used in low temperature –SOFC. All the samples show high chemical compatibility with electrolyte SDC20, even under the 1100℃ thermal treatment.

並列關鍵字

SOFC cathode LSCF solid-state reactions

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延伸閱讀