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固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)作为一种具有巨大发展潜力的能源转化装置,可以直接将燃料中的化学能转化为电能,具有燃料选择范围广、转化效率高、环境影响小等优点。传统的以镍基为阳极的SOFC在以碳氢化合物作为燃料时,阳极积碳严重,抗硫毒化能力差,导致电池性能衰减、长期稳定性差。对称固体氧化物燃料电池(Symmetrical Solid Oxide Fuel Cells,SSOFC)不仅可以通过切换气路解决阳极积碳和硫中毒问题,还简化了电池的制备工艺,减少了电极|电解质界面间可能出现的热应力类型。本文以SSOFC的构建和性能测试为手段,以结构简单、成本较低的钙钛矿材料为研究对象,探究适于作为SSOFC使用的电极材料类型。主要内容如下:(1)以还原气氛下稳定的Sm0.9Pr0.1FeO3-δ(SPF)电极材料为研究对象,从物相、热膨胀、电化学性能等几个方面进行了系统研究。以YSZ为电解质,构建了单电池SPF|YSZ|SPF,通过自组装的电池测试系统评估电池的输出性能。结果表明:(1)SPF在空气中煅烧后呈现正交钙钛矿结构,此结构在氢气气氛中800℃还原5 h保持不变。且SPF与YSZ混合煅烧后不发生相互反应。(2)850℃时,SPF在空气和H2气氛下的极化电阻(Rp)分别为0.15 Ω·cm2和15.80Ω·cm2,表明SPF的阴极催化性能较其作为阳极使用更好。(3)以氢气(3%H2O)为燃料、空气为氧化剂,单电池SPF|YSZ|SPF在850℃下的峰值功率密度为168mW·cm-2。表明SPF是一种有发展潜力的SSOFC电极候选材料。(2)以 Mo 掺杂 Ba0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3-δ(BSCF)得到 Ba0.5Sr0.5Co0.2Fe0.7Mo0.1O3-δ(BSCFM)。分别以BSCF和BSCFM作为SSOFC电极材料,YSZ为电解质,GDC为过渡层,构建单电池 BSCF|GDC|YSZ|GDC|BSCF 和 BSCFM|GDC|YSZ|GDC|BSCFM。系列测试结果表明:(1)BSCF和BSCFM空气环境下均为立方钙钛矿结构,还原气氛下BSCFM具有可接受的物相稳定性;Mo掺杂提高了样品的热稳定性,低温区间BSCFM的电极极化较BSCF小。(2)Mo掺杂显着提高了材料的ORR和HOR的催化性能。(3)800℃、以氢气(3%H2O)为燃料时,电池BSCF|GDC|YSZ|GDC|BSCF的峰值功率密度和极化阻抗分别为233 mW·cm-2和0.129 Ω·cm2,相同条件下,电池BSCFM|GDC|YSZ|GDC|BSCFM的峰值功率密度和极化阻抗分别为418mW·cm-2、0.128Ω.cm2。(4)700℃、恒压 0.7V 时,电池 BSCFM|GDC|YSZ|GDC|BSCFM 连续放电 115 h未发现性能衰减。意味着Ba0.5Sr0.5Co0.2Fe0.7Mo0.1O3-δ(BSCFM)是有发展前景的SSOFC电极候选材料。(3)以A位掺杂碱土金属Pr0.5A0.5FeO3-δ(A=Ca,Sr,Ba)为研究对象。从物相、电导率、极化等指标考察三种电极材料Pr0.5Ca0.5FeO3-δ(PCF)、Pr0.5Sr0.5FeO3-δ(PSF)和Pr0.5Ba0.5FeO3-δ(PBF)作为SSOFC电极材料的可能性。以YSZ为电解质,GDC 为过渡层,测试单电池 PCF|GDC|YSZ|GDC|PCF、PSF|GDC|YSZ|GDC|PSF 以及PBF|GDC|YSZ|GDC|PBF的输出性能。结果表明:(1)PSF、PBF为立方钙钛矿结构,PCF为正交晶系。(2)三种材料在空气中电导率变化规律一致,PSF在空气和氢气中的界面极化阻抗最小,催化活性最高。对于HOR过程,催化顺序为PSF>PCF>PBF;对ORR而言,则为PSF>PBF>PCF。(3)以潮湿氢气为燃料、空气为氧化剂,800℃时,对称电池 PCF|GDC|YSZ|GDC|PCF、PSF|GDC|YSZ|GDC|PSF、PBF|GDC|YSZ|GDC|PBF 的功率密度峰值分别为 366.40 mW/cm2、502.10 mW/cm2、464.54 mW/cm2。表明三种材料都具有作为SSOFC电极材料的潜力。图[37]表[5]参[109]