La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ作為陽極材料的中溫固體氧化物燃料電池的性能研究

孫翠翠，柴　源，孟祥偉，呂世權

（1.吉林師范大學　凝聚態(tài)研究所；2.吉林師范大學　功能材料物理與化學教育部重點實驗室；3.吉林師范大學　信息技術學院，吉林　四平　136000）

La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ作為陽極材料的中溫固體氧化物燃料電池的性能研究

孫翠翠1，2，柴源3，孟祥偉1，2，呂世權1，2

（1.吉林師范大學凝聚態(tài)研究所；2.吉林師范大學功能材料物理與化學教育部重點實驗室；3.吉林師范大學信息技術學院，吉林四平136000）

本文使用燃燒法制備陽極材料La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ（x=0.4、0.5、0.6）（燒結溫度為1300℃和1400℃）.制成電解質支撐的一系列單電池，分別測試其電化學性能.測試結果表明，當燒結溫度是1300℃時，x=0.4的單電池功率最高.文中給出此單電池的伏安特性曲線和功率特性曲線，同時給出這個單電池在工作狀態(tài)下的開路電壓阻抗譜圖（測試溫度范圍700℃-900℃），以及此單電池測試后的陽極正面電鏡照片.

陽極；固體氧化物燃料電池；電化學性能

近年來，隨著國家的高速發(fā)展，極大增加了國民對能源的需求和消耗，我們面臨著能源短缺的問題.同時尋找高效清潔能源的問題也擺在眼前.燃料電池由陰極，陽極和電解質組成，是將化學能轉化為電能的裝置.它具有高效，環(huán)境友好等特點.［1-3］陽極作為燃料電池的重要組成部分為燃料氣體發(fā)生氧化反應提供場所.［4］

LaCrO3基材料是目前具有開發(fā)前景的新型陽極材料之一.［1］LaCrO3是鈣鈦礦型 （ABO3）復合氧化物，它在室溫下是正交結構（pbnm空間群），當溫度升高到240～280℃之間時，開始由正交結構向菱形結構轉變.在1000℃下，LaCrO3的穩(wěn)定結構是菱形結構.LaCrO3的熔點是2490℃，它耐腐蝕，在高溫下具有良好的化學與物理穩(wěn)定性.［5］

在鈣鈦礦中，A，B位元素的作用有所不同，在A位的La元素能穩(wěn)定材料的結構，部分Sr2+取代La3+能提高材料的導電性能；在B位的Cr3+元素能確保材料的穩(wěn)定性，同時還能提高陽極材料本身對含硫燃料的容忍性；Cr3+元素被Fe3+元素部分取代不僅能提高材料的催化性能，同時還能減少陽極炭沉積的現(xiàn)象［5］.

1　實驗

本文用燃燒法合成了La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ（x= 0.4，0.5，0.6）陽極材料.稱量La2O3，Sr（NO3），Cr（NO3）3· 9H2O，F(xiàn)e（NO3）3·9H2O后分別經1300℃，1400℃煅燒共30小時得到La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ（x=0.4，0.5，0.6）產物.陰極材料使用La0.8Sr0.2MnO3-δ，電解質使用厚度是300μm的YSZ片，將陰，陽極漿料涂在電解質的兩面，烘干后將樣品片封接在氧化鋁管的一端，制成電解質支撐的六組單電池.分別測試這六組單電池的功率特性曲線和伏安特性曲線，測溫范圍是700℃～900℃.經以上測試找出功率最高的單電池，經測試給出這個單電池在工作狀態(tài)下的開路電壓阻抗譜圖（測試溫度范圍700℃—900℃）.最后給出此單電池測試后的陽極正面電鏡照片.

2　結果與討論

2.1單電池功率特性曲線和伏安特性曲線分析

分別測試這六組單電池的功率特性曲線和伏安特性曲線，結果表明當x=0.4時單電池的性能最高.

下面以其為例進行說明.圖1是采用陽極材料為La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ（x=0.4）（燒結溫度1300℃30h）的樣品制作的單電池的功率特性曲線和伏安特性曲線.

圖2是采用陽極材料為La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ（x =0.4）（燒結溫度1400℃30h）的樣品制作的單電池的功率特性曲線和伏安特性曲線.

圖中顯示，單電池的輸出電流隨著溫度的升高而變大.而溫度對輸出電壓的影響不大.同時，溫度越高單電池的功率密度也越大.

比較圖1和圖2可以看出，采用燒結溫度為1300℃的陽極材料制成的單電池的功率更好.分析其原因可能是過高的燒結溫度致使晶粒生長進而生成雜相，從而使陽極的催化性能降低.

圖1　La0.75Sr0.25Cr0.6Fe0.4O3-δ（1300℃30h）

圖2　La0.75Sr0.25Cr0.6Fe0.4O3-δ（1400℃30h）

圖1中的單電池（x=0.4）在900℃時的最大功率密度是157mW/cm2.圖2中單電池（x=0.4）在900℃的最大功率密度是108mW/cm2.

2.2單電池開路電壓阻抗譜圖分析

由圖1可知采用La0.75Sr0.25Cr0.6Fe0.4O3-δ（燒結溫度1300℃，30h）作為陽極材料的單電池的功率最高.我們以它為例給出這個單電池在工作狀態(tài)下的開路電壓阻抗譜圖（圖3）（測試溫度范圍700℃—900℃）.

在圖3中，我們分別比較了單電池的歐姆阻抗，極化阻抗和總阻抗.

由圖3可知，溫度越高，單電池的阻抗值越低.說明隨著溫度的升高，陽極的的催化活性得到了增強.由圖3通過計算得出在900℃時單電池的界面阻抗為0.98.而在900℃時單電池的歐姆阻抗為0.36.

2.3單電池陽極正面SEM分析

圖4是此單電池經過以上一系列測試以后的陽極正面SEM照片.由圖可知，陽極正面的晶粒分散均勻，同時又是疏松多孔的，這樣便于氫氣由外向里進行擴散，從而加快反應速度，增加催化性能，進一步的增大電流，提高單電池的功率.

圖3　La0.75Sr0.25Cr0.6Fe0.4O3-δ（1300℃30h）

圖4

3　結論

本文研究了中溫固體氧化物燃料電池陽極材料La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ.以其為陽級制成電解質支撐的一系列單電池，分別測試其電化學性能.結果表明，當燒結溫度是1300℃時，x=0.4的單電池功率最高.文中給出此單電池的伏安特性曲線和功率特性曲線，同時給出這個單電池在工作狀態(tài)下的開路電壓阻抗譜圖（測試溫度范圍700℃—900℃），以及此單電池測試后的陽極正面電鏡照片.

〔1〕李瑛，王林山.燃料電池［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.1.

〔2〕衣寶廉.燃料電池［M］.上海：化學工業(yè)出版，2003.

〔3〕黃喜強.固體氧化物燃料電池符合電極材料的制備基性能研究 ［R］.博士后研究工作報告，2003.

〔4〕徐丹.中溫固體氧化物燃料電池CeO2基復合電介質材料的制備和性能研究［D］.吉林大學，2008.

〔5〕馬學菊，陳秀華，馬文會，戴永年，La1-xSrxCr1-yMny-O3-δ陽極材料的固相合成及導電性能研究［J］.稀有金屬，2008，32（2）.

TM911.42

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1673-260X（2016）10-0057-02

2016-06-09