论文部分内容阅读
为降低成本与推动商业化发展,降低工作温度是目前固体氧化物燃料电池（SOFCs）主要研究方向之一。作为电池极化电阻的主要来源,阴极是决定电池低温性能的关键,开发高性能阴极材料成为研究重点。而目前质子导体基固体氧化物燃料电池（H-SOFCs）领域中常用的一些高性能阴极热膨胀系数普遍高于常用的电解质材料,严重的热失配问题导致电池性能下降、寿命缩短,对H-SOFCs的应用与发展产生极大困扰。针对这一问题,本课题设计了一种含负热膨胀（NTE）氧化物的复合阴极,旨在通过控制NTE氧化物含量有效剪裁复合阴极热膨胀系数,改善阴极/电解质界面热匹配性,从而提升电池性能。分别制备了Ba0.5Sr0.5Fe O3-δ（BSF）单相与掺杂30 wt%NTE氧化物NdMnO3-δ（NM）的BSF-NM（7:3）复合材料,两种致密材料物理性能研究表明:30 wt%NM的添加,使阴极热膨胀系数由BSF的27.09×10-6 K-1降低到BSF-NM的9.98×10-6 K-1;最大电导率由BSF的27 S·cm-1降到BSF-NM的13 S·cm-1。NM的掺入使BSF-NM复合阴极与电解质获得更加理想的热匹配,但电导率相较BSF单相阴极也有所下降。将BSF单相阴极与BSF-NM（7:3）复合阴极应用于Ba Zr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ（BZCY）基H-SOFCs电池中,发现NM的掺入可显著提升H-SOFCs电化学性能。实验结果表明:NM、BSF和BZCY之间具有良好的化学相容性,满足电池材料间相容性要求;500～750℃温度范围内,Ni O-BZCY|BZCY|BSF-NM单电池峰值功率密度（PPD）(139～941 m W·cm-2)明显高于Ni O-BZCY|BZCY|BSF单电池(73～661 m W·cm-2);单电池工作环境下相应的EIS谱结果表明,BSF-NM单电池的极化电阻（Rp）（3.319～0.054W×cm~2）明显低于BSF单电池（7.272～0.120W×cm~2）,这很好地说明了BSF-NM单电池PPD高于BSF单电池的原因。在600℃下经62 h长期稳定性测试后,BSF单电池与BSF-NM单电池输出功率密度分别衰减了35%和14%。这表明NTE氧化物NM的掺入对单电池长期稳定性有着积极影响。热膨胀系数、电导率、SEM观察和电化学阻抗谱的综合结果表明,BSF-NM单电池输出性能与稳定性的明显改善是由于阴极与电解质的理想热匹配导致三相边界长度增加、电池极化电阻降低所致。为进一步验证NM的掺入对H-SOFCs性能的提升是否具有普遍规律,将BSF单相阴极与BSF-NM（7:3）复合阴极应用于Ba Zr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ（BZCYYb）基H-SOFCs电池中。研究结果表明:NM、BSF和BZCYYb之间具有良好的化学相容性;500～750℃温度范围内,Ni O-BZCYYb|BZCYYb|BSF-NM单电池的PPD(149～897 m W·cm-2)明显高于Ni O-BZCYYb|BZCYYb|BSF单电池(127～776 m W·cm-2)。这说明NM的掺入可以提升H-SOFCs性能的规律亦适用于BZCYYb基H-SOFCs;相应的EIS谱结果表明,BSF-NM单电池的Rp（2.655～0.052W×cm~2）明显低于BSF单电池（3.330～0.069W×cm~2）,这与BSF-NM单电池PPD高于BSF单电池的结果一致。物性、电化学性能、电化学阻抗谱和SEM观察综合结果表明,BZCYYb基BSF-NM单电池电化学性能的明显提升是由于阴极与电解质间热匹配改善从而导致三相边界长度增加所致。总之,阴极中添加NTE氧化物可有效剪裁复合阴极热膨胀系数,改善阴极与电解质热匹配性,显著提升电池性能。此外,本工作通过控制NTE氧化物含量剪裁复合阴极热膨胀系数的方法,为开发中低温H-SOFCs阴极材料提供一种新的思路。