抗铬毒化、高性能固体氧化物燃料电池阴极材料研究

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中温(700800°C)固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)运行性能稳定,热应力小,电池寿命长,且可使用廉价、导电性高、易加工的双极板金属合金材料。并以不锈钢Cr合金最有广泛应用前景。但是,Cr合金用于SOFC的双极板时,传统的(La,Sr)MnO3 (LSM)和(La,Sr)(Co,Fe)O3 (LSCF)等阴极材料由于受到铬毒化而性能迅速下降。因此寻找新的高性能且具有抗铬毒化性的阴极材料迫在眉睫。LaNi0.6Fe0.4O3-δ (LNF)材料具有良好的抗铬毒化性能和较高的电化学催化性能。本文研究了LaNi0.6Fe0.4O3-δ阴极材料的制备方法、性能表征和性能改进。低温燃烧法制备了LaNi0.6Fe0.4O3-δ材料。X射线衍射(XRD)显示600°C煅烧后前驱体可得单一钙钛矿结构相,透射电镜(TEM)显示颗粒大小为50-100nm。LaNi0.6Fe0.4O3-δ与Sc0.1Zr0.9O1.95 (ScSZ)在1100°C反应生成大量绝缘相La2Zr2O7。丝网印刷法制备LNF/ScSZ/LNF对称电池。交流阻抗谱显示1050°C煅烧的电池阴极极化电阻最小,于850°C、800°C、750°C、700°C和650°C,极化电阻分别0.12Ω·cm2、0.28Ω·cm2、0.70Ω·cm2、1.91Ω·cm2和5.62Ω·cm2。Fe-Cr合金存在时,阴极欧姆电阻和极化电阻皆随时间延长而增加。阴极/电解质界面沉积少量低导电性Cr2O3(s),减缓活性粒子在三相界面的扩散,增加阴极极化电阻。首次采用浸渍法合成LaNi0.6Fe0.4O3-δ-Gd0.2Ce0.8O2-α新型复合阴极。Gd0.2Ce0.8O2-α (GDC)浸渍量x=21%的LNF-GDC复合阴极(LNF-GDC21)性能最优,在850°C、800°C、750°C、700°C和650°C,其极化电阻分别为0.03Ω·cm2、0.06Ω·cm2、0.12Ω·cm2、0.29Ω·cm2和0.71Ω·cm2。750°C复合阴极极化电阻(0.12Ω·cm2)约比纯LNF(0.70Ω·cm2)降低7倍。LNF-GDC21复合阴极的活化能为所有阴极中最小,为136.80kJ/mol。Fe-Cr合金存在时,欧姆电阻和极化电阻在0610h随时间延长缓慢增长,6341042h其极化电阻稳定在2.94Ω·cm2,欧姆电阻稳定在0.92Ω·cm2。阴极/电解质界面铬沉积很少,因此LNF-GDC21新型复合阴极能在Fe-Cr合金毒化1042h还保持低极化电阻和稳定性。LNF-GDC21新型复合阴极具有很高的抗铬毒化性能和稳定性。
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