La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ作为阳极材料的中温固体氧化物燃料电池的性能研究

孙翠翠，柴　源，孟祥伟，吕世权

（1.吉林师范大学　凝聚态研究所；2.吉林师范大学　功能材料物理与化学教育部重点实验室；3.吉林师范大学　信息技术学院，吉林　四平　136000）

La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ作为阳极材料的中温固体氧化物燃料电池的性能研究

孙翠翠1，2，柴源3，孟祥伟1，2，吕世权1，2

（1.吉林师范大学凝聚态研究所；2.吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室；3.吉林师范大学信息技术学院，吉林四平136000）

本文使用燃烧法制备阳极材料La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ（x=0.4、0.5、0.6）（烧结温度为1300℃和1400℃）.制成电解质支撑的一系列单电池，分别测试其电化学性能.测试结果表明，当烧结温度是1300℃时，x=0.4的单电池功率最高.文中给出此单电池的伏安特性曲线和功率特性曲线，同时给出这个单电池在工作状态下的开路电压阻抗谱图（测试温度范围700℃-900℃），以及此单电池测试后的阳极正面电镜照片.

阳极；固体氧化物燃料电池；电化学性能

近年来，随着国家的高速发展，极大增加了国民对能源的需求和消耗，我们面临着能源短缺的问题.同时寻找高效清洁能源的问题也摆在眼前.燃料电池由阴极，阳极和电解质组成，是将化学能转化为电能的装置.它具有高效，环境友好等特点.［1-3］阳极作为燃料电池的重要组成部分为燃料气体发生氧化反应提供场所.［4］

LaCrO3基材料是目前具有开发前景的新型阳极材料之一.［1］LaCrO3是钙钛矿型 （ABO3）复合氧化物，它在室温下是正交结构（pbnm空间群），当温度升高到240～280℃之间时，开始由正交结构向菱形结构转变.在1000℃下，LaCrO3的稳定结构是菱形结构.LaCrO3的熔点是2490℃，它耐腐蚀，在高温下具有良好的化学与物理稳定性.［5］

在钙钛矿中，A，B位元素的作用有所不同，在A位的La元素能稳定材料的结构，部分Sr2+取代La3+能提高材料的导电性能；在B位的Cr3+元素能确保材料的稳定性，同时还能提高阳极材料本身对含硫燃料的容忍性；Cr3+元素被Fe3+元素部分取代不仅能提高材料的催化性能，同时还能减少阳极炭沉积的现象［5］.

1　实验

本文用燃烧法合成了La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ（x= 0.4，0.5，0.6）阳极材料.称量La2O3，Sr（NO3），Cr（NO3）3· 9H2O，Fe（NO3）3·9H2O后分别经1300℃，1400℃煅烧共30小时得到La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ（x=0.4，0.5，0.6）产物.阴极材料使用La0.8Sr0.2MnO3-δ，电解质使用厚度是300μm的YSZ片，将阴，阳极浆料涂在电解质的两面，烘干后将样品片封接在氧化铝管的一端，制成电解质支撑的六组单电池.分别测试这六组单电池的功率特性曲线和伏安特性曲线，测温范围是700℃～900℃.经以上测试找出功率最高的单电池，经测试给出这个单电池在工作状态下的开路电压阻抗谱图（测试温度范围700℃—900℃）.最后给出此单电池测试后的阳极正面电镜照片.

2　结果与讨论

2.1单电池功率特性曲线和伏安特性曲线分析

分别测试这六组单电池的功率特性曲线和伏安特性曲线，结果表明当x=0.4时单电池的性能最高.

下面以其为例进行说明.图1是采用阳极材料为La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ（x=0.4）（烧结温度1300℃30h）的样品制作的单电池的功率特性曲线和伏安特性曲线.

图2是采用阳极材料为La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ（x =0.4）（烧结温度1400℃30h）的样品制作的单电池的功率特性曲线和伏安特性曲线.

图中显示，单电池的输出电流随着温度的升高而变大.而温度对输出电压的影响不大.同时，温度越高单电池的功率密度也越大.

比较图1和图2可以看出，采用烧结温度为1300℃的阳极材料制成的单电池的功率更好.分析其原因可能是过高的烧结温度致使晶粒生长进而生成杂相，从而使阳极的催化性能降低.

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

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

图1中的单电池（x=0.4）在900℃时的最大功率密度是157mW/cm2.图2中单电池（x=0.4）在900℃的最大功率密度是108mW/cm2.

2.2单电池开路电压阻抗谱图分析

由图1可知采用La0.75Sr0.25Cr0.6Fe0.4O3-δ（烧结温度1300℃，30h）作为阳极材料的单电池的功率最高.我们以它为例给出这个单电池在工作状态下的开路电压阻抗谱图（图3）（测试温度范围700℃—900℃）.

在图3中，我们分别比较了单电池的欧姆阻抗，极化阻抗和总阻抗.

由图3可知，温度越高，单电池的阻抗值越低.说明随着温度的升高，阳极的的催化活性得到了增强.由图3通过计算得出在900℃时单电池的界面阻抗为0.98.而在900℃时单电池的欧姆阻抗为0.36.

2.3单电池阳极正面SEM分析

图4是此单电池经过以上一系列测试以后的阳极正面SEM照片.由图可知，阳极正面的晶粒分散均匀，同时又是疏松多孔的，这样便于氢气由外向里进行扩散，从而加快反应速度，增加催化性能，进一步的增大电流，提高单电池的功率.

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

图4

3　结论

本文研究了中温固体氧化物燃料电池阳极材料La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ.以其为阳级制成电解质支撑的一系列单电池，分别测试其电化学性能.结果表明，当烧结温度是1300℃时，x=0.4的单电池功率最高.文中给出此单电池的伏安特性曲线和功率特性曲线，同时给出这个单电池在工作状态下的开路电压阻抗谱图（测试温度范围700℃—900℃），以及此单电池测试后的阳极正面电镜照片.

〔1〕李瑛，王林山.燃料电池［M］.北京：冶金工业出版社，2002.1.

〔2〕衣宝廉.燃料电池［M］.上海：化学工业出版，2003.

〔3〕黄喜强.固体氧化物燃料电池符合电极材料的制备基性能研究 ［R］.博士后研究工作报告，2003.

〔4〕徐丹.中温固体氧化物燃料电池CeO2基复合电介质材料的制备和性能研究［D］.吉林大学，2008.

〔5〕马学菊，陈秀华，马文会，戴永年，La1-xSrxCr1-yMny-O3-δ阳极材料的固相合成及导电性能研究［J］.稀有金属，2008，32（2）.

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1673-260X（2016）10-0057-02

2016-06-09