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中低温质子导体燃料电池阴极材料的制备与性能研究 中文摘要 固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell ，SOFC ）因具有低污染物排放、高能量 转换效率（达65% ）、无振动低噪音等优点受到了广泛关注。传统的氧离子导体燃料电 池（oxygen ion conducting SOFC ，O-SOFC ）主要在800-1000 ℃的温度范围内运行， 高温可促进离子在电解质中的传输并加快电极反应动力学。然而，如此高的工作温度也 带来了热机械稳定性差和难于密封等若干挑战，导致电池的寿命缩短和成本增加。因此， 大量的研究工作致力于将温度降低至中低温（600-800 ℃）。相比较于O-SOFC，质子 转移所需的活化能比氧离子扩散的活化能低，在较低至中间的温度范围内，质子比氧离 子更容易获得更高的电导率。因此，质子导体燃料电池（proton conducting fuel cell，PCFC ） 已成为SOFC 领域的热门研究课题。然而其实际发展仍落后于相对成熟的O-SOFC，关 键问题是缺乏合适的阴极材料。本文旨在开发适合在质子导体燃料电池上运行的阴极材 料，使其在中低温条件下可以稳定运行并获得较高的输出功率。具体研究结果如下： （1 ）通过调控 B 位金属离子的含量成功制备 Ba(Fe Co ) (Zr Y ) O 0.6 0.4 1-x 0.8 0.2 x 3-δ （BFC(ZY) ，x=0.1 、0.2、0.3、0.4、0.5 ）阴极材料，然后以Ni-BaZr Ce Y Yb O x 0.1 0.7 0.1 0.1 3-δ （BZCYYb ）为阳极， BZCYYb 为电解质，制成阳极支撑的单电池 Ni-BZCYYb ∣BZCYYb ∣BFC(ZY) ，系统地研究了阴极材料的相结构、ORR 活性以及 x 电池的电化学性能。XRD 分析表明乙二胺四乙酸-柠檬酸（EDTA-CA ）联合络合法制 备的五种粉体均呈现立方钙钛矿相结构，与电解质 BZCYYb 具有良好的化学相容性。 电化学性能测试表明700 ℃时，BFC(ZY)0.1 为阴极的单电池具有最高的输出功率密度和 最小的极化电阻，716.10 mW·cm-2 和 0.031 Ω·cm2 。稳定性测试中，单电池 Ni-BZCYYb ∣BZCYYb ∣BFC(ZY)0.1 在600 ℃、恒定电压为0.54 V 下，30 h 内功率密 度没有明显下降。 （2 ）采用EDTA-CA 联合络合法制备了两相复合材料Ba(Fe Co ) (Ce Y ) O 0.6 0.4 1-x 0.8 0.2 x 3-δ （BFC(CY) ，x=0.2 、0.3、0.4、0.5 ），其在高温烧结时会自组装成两相均匀分布的材料。 x 初步通过XRD 分析验证设计思路的正确性。制备了Ni-BZCYYb ∣BZCYYb ∣BFC(CY)x I 单电池。实验结果显示，BFC(CY)0.3 阴极材料具有最大的输出功率和最小的极化电阻， -2 2 在700 ℃时最大功率密度为 827.9 mW·cm ，极化阻抗为0.0165 Ω·cm 。在 600 ℃， 恒定电压为0.7 V 条件下，单电池Ni-BZCYYb ∣BZCYYb ∣BFC(CY)0.3 在30 h 测试期