Fe-Co-GDC复合阳极材料的制备及其电性能研究

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固体氧化物燃料电池(SOFC)是新一代的高效能源发生装置。其阳极材料是SOFC三个重要构件之中最为关键的组成部分,阳极催化性能的优劣直接决定了电池对外做功的能力,故探索寻求良好的阳极材料是十分必要的。本文采用甘氨酸-硝酸盐法制备Fe-GDC和Fe-Co-GDC阳极材料,其中Fe和Co物质的量比分别为9:1,8:2,7:3,6:4,5:5,4:6,共6种。深入研究Fe-GDC和Fe-Co-GDC复合阳极材料的制备及其电性能。Fe-GDC粉体在经过800℃焙烧2小时后,物相表征显示得到Fe2O3和GDC两相,经H2还原后,得到Fe和GDC两相。将Fe-GDC粉末压制成条,900℃-1300℃下焙烧,氢气还原后采用直流四电极法测试电导率。电导率随测试温度的升高而降低,随烧结温度升高而提高。考虑后续加入的Co低熔点特性,同时SOFC对阳极最低电导率要求(≥100S·cm-1),选择1200℃为最宜烧结温度。实验结果表明750℃时电导率为210.24S·cm-1。通过扫描电镜观察在表面和断面均可观察到均匀的孔洞,这有利于阳极更加充分与燃料接触,扩大接触面积,提高其电性能。Fe-GDC材料热膨胀系数约为10.84×10-6K-1,其数值与GDC电解质的热膨胀系数11.16×10-6K-1较为接近。对还原前后的Fe-Co-GDC(Fe与Co物质的量比分别为9:1、8:2、7:3、6:4、5:5、4:6)进行物相表征,主要存在Fe2O3,CoFe2O4,GDC三种相。Fe2O3和CoFe2O4还原成Fe、CoFe固溶体两相。Fe-Co-GDC与电解质GDC具有良好的热匹配性,其中热膨胀系数呈现随着Co的含量先增大后减小的趋势,Fe0.6Co0.4-GDC阳极热膨胀系数为11.74×10-6K-1。采用丝网印刷方法组装电解质支撑型固体氧化物燃料单电池,阳极为Fe-GDC和Fe-Co-GDC,电解质为GDC,阴极为La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O2.7-GDC(30wt%),湿氢气作为燃料气。采用两电极法测试单电池电化学性能。通过电池输出特性曲线可知,最大输出功率密度随着Co的加入先升高后降低,其中Fe与Co物质的量比6:4为最佳比例,在750℃下最大输出功率密度为168.94mW·cm-2,比Fe-GDC(40.02mW·cm-2)性能高约4倍。适量Co的加入生成了CoFe2O4,还原后形成了CoFe固溶体,大幅度提高了电池性能,其单电池的极化阻抗最小为0.313Ω·cm2
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