质子导体燃料电池复合阴极材料的制备与结构调控

本项目探索适用于中温质子型固体氧化物燃料电池（H-SOFC）的阴极材料，优化其电极结构，并探讨其电极过程的电化学原理。质子型SOFC因电解质载流子传导活化能低，在中低温下更加具有潜力；同时，由于发电时水蒸汽不会稀释燃料，对燃料的回收利用带来很大的方便。这些优点使该类电池近年来得到了广泛的关注。但是，前期研究表明阴极极化是制约薄膜化H-SOFC发展的主要问题。为了使阴极性能有一个质的飞跃，我们拟以具有质子-电子传导性能的材料制备阴极骨架，并同具有氧离子-电子传导性能的材料复合起来，得到能同时满足质子传导与氧离子传导性能的复合H-SOFC阴极。在该复合阴极中，阴极反应将发生在整个阴极的表面，并且，氧离子-电子复合导体将提高电极的氧催化活性和电导率，克服单纯的质子-电子导体阴极材料电导率过低的缺点。本课题将在该创新概念基础上，探索相关制备科学与界面电化学反应原理，显著提高H-SOFC的性能。

本项目采用固相反应法合成x=0.05，0.10，0.15和0.20的BZCYF（BaZr0.1Ce0.7Y0.2-xFexO3-δ）电极粉体，通过球磨两次，并在1100℃煅烧10h后获得BZCYF纯相。随Fe掺杂量的提高，晶格畸变严重，粉体更易烧结。由于Fe-O键离子结合强度低于Y-O键，Fe含量越高，材料的热膨胀系数也越大。通过四端子法测试BZCYF在湿空气中的电导率，由于多种载流子的的存在，材料表现出半导体导电特性，且Fe掺杂量约高，可自由移动的电子越多，材料的电导率越高。采用固相反应法和溶胶-凝胶法合成了BZCY电解质粉体，后者粉体粒径更小，烧结活性更高，只需在1500℃烧结4h，致密度即可达到96%，而固相反应法需在1600℃烧结4h才能达到相同的致密度。采用流延-共压-共烧法制备了多孔BZCYF|致密BZCY|多孔BZCYF对称电池骨架，其中多孔层孔隙率约为48%，电解质层厚度≈35μm，实现了电解质的薄膜化。通过离子浸渍法在多孔层中沉积SSC（Sm0.5Sr0.5CoO3）纳米颗粒，从而制得SSC-BZCYF复合阴极，在多孔骨架中Fe掺杂量x=0.2时复合阴极性能最优，800℃极化阻抗为0.17Ω cm2，且阴极氧气还原过程的速率主要受表面氧吸附、解离和扩散过程控制。采用离子浸渍法分别在对称衬底两侧沉积SSC和NiO纳米颗粒制备具有SSC-BZCYF复合阴极和Ni-BZCYF复合阳极的单电池，其在650℃分别以氢气和空气为燃料气和氧化气时最大功率密度为729W/cm2。