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近年来中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)得到了较快的发展,中低温操作使得固体氧化物燃料电池SOFC的组件材料选择范围变宽,尤其是连接体材料可以选用价格低廉、加工容易且电导率高的合金材料代替传统陶瓷材料。但是,铁铬合金连接体中的铬元素在高温氧化气氛下会形成铬蒸气,扩散并沉积于传统的La(Sr,Mn)O3(LSM)阴极材料中。由于铬元素与LSM阴极反应会导致电池性能迅速下降。因此,发展新型的具有抗铬污染性能的阴极材料至关重要。La(Ni,Fe)O3(LNF)系材料由于具有较高的电导率,高的催化活性,并且其热膨胀系数与电解质材料的热膨胀系数较匹配,最重要的是这类材料具有较高的抗铬污染性能,因此这类钙钛矿型材料得到越来越多的关注。但目前研究最多的是LaNi0.6Fe0.4O3-δ(LNF-64)这个组成材料,其他配比材料及其性能却很少涉及。本论文不仅对LNF-64这一组成进行了研究,而且首次对其他组成也进行了系统的研究,并通过对不同组成的LNF系阴极材料的对比重点考察了影响其抗铬污染性能的因素。本文的主要研究成果如下:
(1)通过实验得到LNF样品在不同温度及氧分压下的氧的非化学计量。根据ln(pO2)-(1/T)关系图,计算得到氧缺陷的生成焓和生成吉布斯自由能(它们是氧的非化学计量的函数)。通过比较可知,随着铁含量的增加,生成相应的氧非化学计量所需的生成焓增加,反应的吉布斯自由能的绝对值增加。
(2)通过电导率弛豫的方法研究了各个样品中氧的扩散。对于LNF-64、LNF-55以及LNF-46三个样品基本上是化学扩散即体扩散为控制步骤,而对于LNF-37及LNF-28两个样品氧表面交换及化学反应均为速率控制步骤。本实验中所考察的LNF系材料的表面交换控制步骤均为氧进入晶格的反应。
(3)设计实验比较铬元素对不同成分的LNF系阴极材料性能的影响,发现铬元素主要与游离的NiO反应。
(4)制备了LNF-64与CGO的复合阴极材料,并通过改变CGO的复合量优化出CGO的最佳复合量为30wt％,此时对称电池的极化电阻仅为纯LNF阴极材料的50%。
(5)考察了复合阴极的抗铬污染性能,在有铁铬合金连接体存在的情况下以复合阴极材料为电极的对称电池运行150小时后极化电阻趋于稳定,且在200小时内铬元素没有扩散至阴极与电解质界面处,表明复合阴极材料同样具有一定的抗铬污染性能,而且复合阴极材料在电化学性能上具有明显优势,因此LNF-CGO复合阴极材料具有更加广阔的应用前景。