【摘 要】
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固体氧化物燃料电池（SOFC）由于其能量转化率高、燃料选择范围广等优点受到研究人员的广泛关注。氧离子导体固体氧化物燃料电池（O-SOFC）阳极或质子导体固体氧化物燃料电池（H-SOFC）阴极产生的水通常会对单电池长期稳定性产生负面影响,且随着工作温度降低,阴极材料低的氧还原反应活性成为高性能SOFC实际应用的主要障碍。本文在Ruddlesden-Popper（R-P）型氧化物La1.5Pr0.5N
【基金项目】
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国家自然科学基金（项目编号:U2004167,1974316和51371160）；
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固体氧化物燃料电池（SOFC）由于其能量转化率高、燃料选择范围广等优点受到研究人员的广泛关注。氧离子导体固体氧化物燃料电池（O-SOFC）阳极或质子导体固体氧化物燃料电池（H-SOFC）阴极产生的水通常会对单电池长期稳定性产生负面影响,且随着工作温度降低,阴极材料低的氧还原反应活性成为高性能SOFC实际应用的主要障碍。本文在Ruddlesden-Popper（R-P）型氧化物La1.5Pr0.5Ni0.9Cu0.1O4+δ的基础上,用Eu部分替代La制备新型阴极材料La1.5-xEuxPr0.5Ni0.9Cu0.1O4+δ（LEPNC-x,x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.6和0.8）,探究Eu含量对LEPNC-x物理性质的影响,以及其在H-SOFC和电子阻塞O-SOFC中的应用,探究最优掺杂量。此外,提出一种由BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ（BZCY）质子导体和Ce0.8Sm0.2O2-δ（SDC）氧离子导体并联组成的新型p-BZCY-SDC电解质,制备了相应的p-SOFC（相当于H-SOFC和电子阻塞O-SOFC并联构成）。通过调控水在阳极和阴极侧的生成比例,以期进一步提高其长期稳定性。XRD结果表明:当x=0.4或更低的时候,LEPNC-x能形成纯的R-P型K2NiF4结构;当Eu为0.6和0.8时,LEPNC-x的XRD图谱有La6Ni5O15相关的杂峰出现。此外,LEPNC-x晶格常数随Eu含量增加而减小,且与电解质BZCY和SDC都有良好相容性。致密LEPNC-x的热膨胀系数（TEC）测试结果发现,50～850℃间,TEC近似为常数,从x=0的13.35×10-6 K-1减小到x=0.6的12.43×10-6 K-1,与BZCY(11.2×10-6 K-1)和SDC(12.3×10-6 K-1)的TEC基本相当。电导率均随温度升高先升高后降低,发生了类半导体向类金属行为转变,且随x增加先减少后增加,在x=0.2时具有最小电导率(55.1 S·cm-1),但仍明显高于SOFC阴极对电导率的要求(>10 S·cm-1)。以BZCY为电解质,LEPNC-x（x=0,0.1,0.2,0.3,0.4和0.6）为阴极,制备了NiO-BZCY支撑的H-SOFC单电池,并对其电化学性能进行了对比研究。发现当x=0.2时的单电池电化学性能最佳,电化学阻抗谱（EIS）结果也证实了这一结果,600～750℃时的峰值功率密度（PPDs）和开路电压（OCVs）分别为87.6～544.0 mW·cm-2和1.082～1.021 V,相应的极化电阻（RP）为2.34～0.13Ω·cm~2,活化能Ea为1.45 eV。以SDC为电解质,LEPNC-x（x=0,0.2和0.4）为阴极,制备了NiO-BZCY支撑电子阻塞O-SOFC单电池。电化学测试结果表明,x=0.2时的单电池具有最优电化学性能:550～750℃时的PPDs和OCVs分别为186.2～771.7 mW·cm-2和1.084～0.974 V,相应的RP为2.20～0.18Ω·cm~2,Ea为0.9 eV水平,低于一般SOFC的Ea（1 eV以上）。在阳极（NiO-BZCY）和阴极（LEPNC-0.2）均相同情况下,对比研究了四种电解质（BZCY,SDC,传统混合m-BZCY-SDC和p-BZCY-SDC）对单电池性能的影响。结果表明:电子阻塞O-SOFC（SDC）电化学性能最优,m-SOFC（m-BZCY-SDC）最低,p-SOFC（p-BZCY-SDC）性能介于电子阻塞O-SOFC和H-SOFC（BZCY）之间。p-SOFC在550～750℃时的PPDs和OCVs分别为92.7～641.8mW·cm-2和1.096～1.011 V,相应的RP为3.58～0.23Ω·cm~2,Ea为0.99 eV。长期稳定性测试结果表明:p-SOFC拥有最好的长期稳定性,在600℃和0.7 V条件下工作100 h后,H-SOFC和电子阻塞O-SOFC输出电流密度分别下降了45.2%和50.0%,而p-SOFC只降低了23.3%,仅为H-SOFC和电子阻塞O-SOFC衰退量（45.0～50.0%）的一半。这表明:p-SOFC的确能显著提升SOFC长期稳定性,这主要因为副产物水同时在p-SOFC的阴极和阳极侧产生,有效降低了副产物水对电池结构的负面影响。总之,LEPNC-0.2无论在H-SOFC还是电子阻塞O-SOFC中都表现出最优的电化学性能,而本文提出的p-SOFC显著提高了单电池长期稳定性。这对单电池阴极材料的开发以及单电池结构的改良具有重要意义。
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