固体氧化物燃料电池电极材料SrCo0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ和A2FeNbO6-δ(A=Ba, Sr)的性能研究

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固体氧化物燃料电池(SOFC)由于其高的能量转化效率、对环境友好以及燃料来源的多样性而受到广泛关注。传统的SOFC通常在高温下运行(~1000oC),而高的运行温度引起了一系列复杂的问题,比如电极的烧结、电极材料与电解质的界面扩散等,这些问题都限制了SOFC的商业应用。因此发展中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)是十分必要的。然而,在高温SOFC中,传统的阴极材料(比如Sr掺杂的LaMnO3)的电化学性能会随着温度的降低而减小,阻碍了其在IT-SOFC中的应用。因此,开发新的IT-SOFC阴极材料是十分必要的。我们通过固相法合成了钙钛矿结构的SrCo0.7Fe0.2Ta0.1O3-(SCFT)材料。经过1200oC烧结10h后,SCFT形成了稳定的立方结构。SCFT与La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85(LSGM)和Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)在950oC烧结10h具有良好的化学兼容性。空气气氛下30-1000oC温度范围,SCFT样品的平均热膨胀系数是23.8×10-6K-1。在600-800oC温度范围,其电导率值达到71-119S cm-1,且在325oC时达到最大值247S cm-1。以LSGM和SDC为电解质,700oC时SCFT阴极的极化阻抗值分别为0.159和0.060Ω cm2。以NiO-SDC为阳极,800oC时SCFT在LSGM和SDC电解质上单电池的最大输出功率密度分别为652.9和468.0mW cm-2。经过20h短期测试,SCFT阴极表现出很好的电化学的稳定性。说明SCFT材料是一种很有希望的IT-SOFC阴极材料。在寻找阻碳耐硫阳极材料的过程中,钙钛矿结构氧化物因其能在很宽的氧分压和温度范围内保持结构与性能的稳定而受到广泛关注。特别是A2BB’O6-型双钙钛矿结构氧化物Sr2MgMoO6-已经被研究作为新型阳极材料。该材料不仅具有高的离子-电子电导率和高的电催化活性,而且还有高的阻碳耐硫性能。这对发展以碳氢化合物为燃料的SOFC具有重要意义。因此我们通过固相法合成出双钙钛矿结构的A2FeNbO6-(A=Ba,Sr)氧化物,研究了其作为SOFC阳极的可行性。研究结果表明,在H2气氛中,经过1200oC烧结10h后,SFNO晶化为四方结构;经过1250oC烧结10h后,BFNO具有立方结构。SFNO和BFNO样品在30-1000oC氢气气氛中的平均TEC分别是12.0×10-6K-1和17.1×10-6K-1。在氢气气氛下,SFNO和BFNO的电导率最大值分别达到了2.601和3.114S cm-1。800oC时SFNO和BFNO阳极材料在LSGM电解质上的界面阻抗值分别为0.816和0.441Ω cm2。以氢气为燃料,900oC时以SFNO和BFNO为阳极的单电池,最大输出功率密度分别达到了647和513mW cm-2。短期电化学稳定性测试表明,以SFNO和BFNO为阳极的单电池性能严重衰减。所以SFNO和BFNO作为阳极尚需做进一步的研究。
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