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工作温度过高会造成固体氧化物燃料电池(SOFC)密封困难,工作寿命短,运行成本高等诸多问题。降低SOFC工作温度的重要途径就是开发高性能的电解质和阳极材料。
实验采用尿素燃烧法制备中温H2S固体氧化物燃料电池的电解质和阳极材料,运用热分析、X射线衍射、扫描电镜、电导率测试、耐H2S性能测试等手段对电池材料进行表征,并筛选出合适的材料组装成单电池,在5%Ft2S气氛下进行电性能研究。
4种钙钛矿电解质(BCY、BCZY3、BCZY5和BZY)的表征结果表明:电解质材料的热稳定性较好,700℃煅烧后,均具有典型的钙钛矿结构。在500℃~950℃温度范围内,电解质的电导率均随温度的升高而增大。温度相同时,4种电解质的电导率大小顺序为BCY>BCZY3>BCZY5>BZY。在H2S气氛下,BCY的化学稳定性较差,其它3种电解质的化学稳定性较好,其中BZY最佳。
3种钙钛矿阳极(LSCrF7364、LSCrF7355和LSCrF7346)的表征结果表明:这3种阳极材料的热稳定性好,在900℃煅烧后,均形成典型的钙钛矿结构,表面疏松多孔。在400℃~850℃温度范围内,3种阳极的电导率均随温度的升高而增大。相同条件下,其电导率随着Fe掺杂量的增加而增大。LSCrF系列材料与电解质BCZY的化学相容性较好,耐H2S性能随着Fe掺杂量的增加而降低。
以LSCrF7355-BCZY为阳极,以BCZY5和BCZY3为电解质,Ag为阴极,组装成单电池A和B,在5%H2S气氛下,测试H2S单电池的电化学性能。结果表明:测试后的电池电解质与阳极接触良好,阳极表面性质稳定。800℃时,单电池A的开路电压达最大值,为0.764V。单电池B的最大开路电压和最大功率密度分别为0.834V和12.15mW·cm-2。电池的H2S转化率随温度的升高而增大,在800℃时,转化率最大为73.5%。实验测定的H2S转化率随燃气流量的变化关系与模拟H2S反应的数学模型相关性较好。