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Ln_2MO_4型固体氧化物燃料电池阴极材料

赵辉  李强  孙丽萍  
【摘要】:发展中温固体氧化物燃料电池阴极材料面临着巨大的挑战,K2NiF4结构Ln2MO4型氧化物(Ln=La,Pr,Nd,Sm;M=Ni,Cu,Fe,Co,Mn)由于具有高的离子-电子电导率,与固体电解质匹配的热膨胀系数,较好的氧扩散及表面交换性能,得到了人们的广泛关注.这预示着该类材料有希望成为一种新型固体氧化物燃料电池阴极材料.阴极材料的高温化学稳定性研究结果表明,镍酸盐Ln2NiO4(Ln=La,Pr,Nd)氧化物与固体电解质YSZ化学相容性较差,高温时易生成绝缘相Ln2Zr2O7.相比较而言,对于掺杂型Ln2-xSrxM1-yMy/O4(Ln=La,Sm,Nd;M,M/=Cu,Fe,Ni,Co)阴极材料与传统固体电解质CGO、LSMG和YSZ等具有很好的化学相容性,高温条件下二者之间不发生化学反应.与传统的钙钛矿相比,具有相同组成元素的Ln2MO4型氧化物具有更低的热膨胀系数,并且与固体电解质有很好的热匹配性.电导率数值的大小是衡量阴极材料性能的重要指标.研究结果显示,Ln2MO4氧化物在400~600℃的混合电导率数值为40~100S/cm,且镍酸盐和钴酸盐体系普遍具有较高的数值,这对阴极来说是极为有利的.材料的氧扩散系数(D*)及表面交换系数(k)的大小对阴极的性能有较大的影响.对比研究发现,Ln2MO4型氧化物比LnMO3型阴极材料有更高的D*和k值,这有利于氧离子的传输和扩散,进而影响到阴极上的氧催化还原反应.阴极材料极化电阻值反映了燃料电池电化学性能的优劣.Ln2MO4型阴极材料普遍具有较低的极化电阻数值,其中La1.7Sr0.3CuO4阴极在测试温度为700℃时极化电阻仅为0.16Ωcm2.此外,通过掺杂固体电解质和贵金属Ag制备成复合阴极,增加了电极上氧还原反应的三相反应界面和混合电导率,可以进一步提高材料的电化学性能.

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