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中温固体氧化物燃料电池Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ基核壳结构阴极的研究
1.引言
1.1固体氧化物燃料电池的背景及意义
固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCells,SOFCs)作为一种高效的能量转换装置,以其高能量转换效率、环境友好和燃料的多样性等优点,在能源、环保等领域备受关注。固体氧化物燃料电池能够直接将化学能转换为电能,具有燃料适用范围广、环境污染小、易于模块化设计等优点,对于缓解能源危机和减少环境污染具有重要意义。
1.2中温固体氧化物燃料电池的研究现状
近年来,中温固体氧化物燃料电池(IntermediateTemperatureSOFCs,IT-SOFCs)的研究取得了显著进展。与传统的低温和高温固体氧化物燃料电池相比,中温SOFCs在降低操作温度的同时,保持了较高的能量转换效率,这有利于减少热损失、提高材料的稳定性和降低系统成本。当前,研究者们主要关注如何进一步提高中温SOFCs的性能,降低成本,延长使用寿命。
1.3Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ基核壳结构阴极的研究目的及意义
本研究以Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(简称BSCF)基核壳结构阴极材料为研究对象,旨在通过优化阴极材料的组成和结构,提高中温固体氧化物燃料电池的性能。BSCF基核壳结构阴极具有较好的电化学活性和稳定性,有望解决传统阴极材料在高温下性能衰减等问题。通过对BSCF基核壳结构阴极的深入研究,有望实现中温固体氧化物燃料电池性能的进一步提升,为其实际应用奠定基础。
2材料与方法
2.1核壳结构阴极材料的制备
核壳结构阴极材料采用溶胶-凝胶法制备。首先,按照化学计量比称取适量的BaCO3、SrCO3、Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O,以及柠檬酸和乙二醇作为有机添加剂。将这些原料溶解在去离子水中,通过磁力搅拌使之充分混合。随后,将混合溶液在80℃下加热并持续搅拌,直至形成透明溶胶。将溶胶转移到烘箱中,在120℃下烘干形成凝胶。最后,将凝胶在700℃下热处理得到Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ粉末。
核壳结构的制备采用层层自组装技术,首先将Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ粉末与去离子水混合,调整至适当粘度,然后通过滴涂法在预制的YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)电解质基底上形成均匀的阴极层。
2.2材料的表征与性能测试
阴极材料的晶体结构通过X射线衍射(XRD)技术进行分析,以确保其具有所需的钙钛矿结构。形貌和尺寸通过扫描电子显微镜(SEM)进行观察。
电化学性能测试主要包括交流阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)。EIS测试用于评估电极的界面电阻和电解质电阻,而CV测试则用于观察电极的反应过程和活性面积。
2.3中温固体氧化物燃料电池的组装与性能测试
采用丝网印刷技术将制备的核壳结构阴极材料印刷在YSZ电解质上,随后在750℃下烧结得到电极/电解质复合体。使用铂丝作为对电极,在650℃下组装成单电池。
单电池的性能通过测试其开路电压、最大功率密度、稳定性和耐久性来评估。这些测试通过电化学工作站进行,使用氢气作为燃料,空气作为氧化剂。通过改变电流密度和电压,记录不同工作条件下的电池性能数据。
3核壳结构阴极材料的结构与性能
3.1结构分析
Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)基核壳结构阴极采用溶胶-凝胶法制备,通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及X射线衍射(XRD)等技术对其微观结构进行了详细分析。结果表明,该核壳结构具有明显的分级多孔结构,壳层与核层间界面清晰,壳层厚度均匀,平均厚度约为200nm。XRD图谱显示,阴极材料具有单一的钙钛矿相结构,无杂相存在,表明该核壳结构具有较高的相纯度。
3.2电化学性能分析
采用循环伏安法(CV)、交流阻抗谱(EIS)以及极化曲线测试等手段对BSCF基核壳结构阴极的电化学性能进行了研究。CV曲线显示,该阴极材料在低电位区间具有较大的电流密度,表明其具有较好的氧还原反应(ORR)活性。EIS谱图表明,阴极材料的电荷传输电阻较小,电解质与电极之间的界面电阻也相对较低。极化曲线测试结果显示,在500℃至700℃的温度范围内,该核壳结构阴极的最大功率密度可达到500mW/cm2以上。
3.3力学性能分析
采用纳米压痕技术对BSCF基核壳结构阴极的力学性能进行了研究。结果表明,该阴极材料具有较高的硬度和弹性模量,能够满足固体氧化物燃料电池在实际应用中的力学稳定性要求。此外,核壳结构的设计提高了阴极材料的抗热震性能,有利于提高其在中温固体氧化物燃料电池中的使用寿命。
4.中温固体氧化物燃料电池性能分析
4.1开路电压与
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