基于混合导电功能层的燃料电池研究
燃料电池双极板 超亲水 碳涂层 非晶碳 耐蚀 石墨微晶 导电层 氧化硅 亲水层
燃料电池双极板超亲水碳涂层非晶碳耐蚀石墨微晶
导电层氧化硅亲水层
燃料电池双极板是燃料电池的核心组件之一，它承担着将氢气和氧气转化为水并释放能量的重要作用。
双极板通常由多层材料构成，其中包括超亲水碳涂层、非晶碳耐蚀层、石墨微晶导电层和氧化硅亲水层。
超亲水碳涂层是位于双极板表面的一层材料，具有非常高的亲水性，可以使水分子快速均匀地分布在整个双极板表面，从而提高氧气的传输效率，并降低气泡的产生。
非晶碳耐蚀层是在超亲水碳涂层下方的一层材料，主要起到防止双极板受到腐蚀的作用。
由于燃料电池中存在酸性环境和高温条件，这一层材料需要具备良好的耐蚀性能，以保证双极板的长时间稳定运行。
石墨微晶导电层是位于非晶碳耐蚀层下方的一层材料，具有优异的导电性能，可以有效地传导电子，将氧气的电荷转移至双极板表面。
氧化硅亲水层是位于石墨微晶导电层下方的一层材料，具有良好的亲水性能，可以吸附和传输水分子，从而帮助氢气和氧气的反应进行顺利。
此外，氧化硅层还可以起到隔离作用，防止氢气和氧气发生非预期的反应。
总体来说，燃料电池双极板的设计与材料选择都非常关键，不同的材料层次有各自的功能，并共同协作以实现高效的能量转
化和稳定的电池运行。
燃料电池特性研究
燃料电池特性研究燃料电池以氢和氧为燃料，通过电化学反应直接产生电力，能量转换效率高于燃烧燃料的热机。
燃料电池的反应生成物为水，对环境无污染，单位体积氢的储能密度远高于现有的其它电池。
因此它的应用从最早的宇航等特殊领域，到现在人们积极研究将其应用到电动汽车，手机电池等日常生活的各个方面，各国都投入巨资进行研发。
1839年，英国人格罗夫（W. R . Grove ）发明了燃料电池，历经近两百年，在材料，结构，工艺不断改进之后，进入了实用阶段。
按燃料电池使用的电解质或燃料类型，可将现在和近期可行的燃料电池分为碱性燃料电池，质子交换膜燃料电池，直接甲醇燃料电池，磷酸燃料电池,熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池6种主要类型，本实验研究其中的质子交换膜燃料电池。
燃料电池的燃料氢（反应所需的氧可从空气中获得）可电解水获得，也可由矿物或生物原料转化制成。
本实验包含太阳能电池发电（光能一电能转换），电解水制取氢气（电能一氢能转换），燃料电池发电（氢能-电能转换）几个环节，形成了完整的能量转换，储存，使用的链条。
实验内含物理内容丰富，实验内容紧密结合科技发展热点与实际应用，实验过程环保清洁。
实验目的1、了解燃料电池的工作原理2、观察仪器的能量转换过程：光能T太阳能电池T电能T电解池T氢能（能量储存）T燃料电池T电能3、测量燃料电池输出特性，作出所测燃料电池的伏安特性（极化）曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。
计算燃料电池的最大输出功率及效率4、测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律实验原理1、燃料电池质子交换膜（PEM , Proton Exchange Membrane ）燃料电池在常温下工作，具有启动快速，结构紧凑的优点，最适宜作汽车或其它可移动设备的电源，近年来发展很快，其基本结构如图19-1所示。
目前广泛采用的全氟璜酸质子交换膜为固体聚合物薄膜，厚度0.05~0.1mm ,它提供氢离子（质子）从阳极到达阴极的通道，而电子或气体不能通过。
燃料电池技术 第二章 燃料电池基础理论与研究方法(1)
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真实燃料电池的效率要低于上述的极限效率， 主要是由于电压损失和燃料的利用率导致。 要使电压损失为0，电化学反应在完全可逆 的情况发生，需输出电流无穷小。实际是不可 能的。 电压效率=开路电压V/理论电动势E 燃料 利 用 率 ： 实 际使 用过程中，燃料 不 能 完全 转 化 为 电能，部 分 燃料 直 接 随废气 被 排除 燃料电池 系统，导致燃料利用率小于100%。
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第二章
燃料电池基础理论 与研究方法
燃料电池技术 第2章 燃料电池基础理论与研究方法
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阳极： 燃料被氧化，产生
电子和质子，电子通过外 回路到达阴极，质子穿过 膜到达阴极。
阴极： 氧化剂被还原，接
受电子，并与阳极来的质 子发生反应。
燃料电池技术
第2章 燃料电池基础理论与研究方法
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2.1 燃料电池热力学
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2.2.1 法拉第定律
当FC工作时, 输出电能而对外做功，FC的燃料和氧化剂 的消耗量与输出电量之间的定量关系服从法拉第定律。 法拉第第一定律：燃料和氧化剂在FC内的消耗量∆m与电池 输出的电量Q成正比，即：
∆m = ke ⋅ Q = ke ⋅ I ⋅ t
其中， ∆m和Q分别是反应物的消耗量和产生的电量（单位 库仑），I是电流强度，t是时间。 ke 比例 系 数 ：是产生 单 位 电量所 需 的反应 物 的量， 称 为 电 化当量。
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FC 都 是 采 用 多孔 气 体 扩散 电极， 电极 ， 反应是在 整 个电极的立 体空间 内的三 相（ 相（ 气、液 、固 ） 界面上进行的。 的。 对任何形式的多孔气体扩散电极，由于电极 反应界面 的真 实面积是很难计算 的，通 常是 以 电极的几何面 积计算 电流密 度的，所得 到的电 流密度称为表观电流密度。 显然，表观电流密度可以用来表示电化学反 应速度。
燃料电池的结构
燃料电池的结构燃料电池是利用氢气与氧气反应产生电能的装置，其结构相对较为简单，主要分为以下几个部分：电极、电解质层、气体扩散层、当前收集器、隔膜等。
1. 电极燃料电池的电极由阳极和阴极组成，他们都需要有足够的电导率和电催化性能。
阳极通常是由铂或其他贵金属制成，其主要的功能是将氢气转化成氢离子和电子，并且释放出电子，将氢气流向阴极。
阴极也通常是由贵金属制成，其主要的功能是将氧分子分解成氧离子，接收来自阳极的电子，与氢离子结合形成水，释放出电子。
2. 电解质层电解质层是阻止氢离子和氧离子在电极之间直接相互作用的层。
在电解质层中，形成了电化学反应所必需的条件，利用加入需滋壤水的硫酸（固态质子传递体）来实现离子传递和电荷分离，同时它也能稳定电压，提高能量输出效率。
3. 气体扩散层气体扩散层是位于电极和电解质膜之间的层，其主要作用是将氢气和氧气分别分布到阳、阴极的表面上，同时还要保证阴、阳极表面的均匀性，以确保电化学反应的正常进行。
气体扩散层还要具有高导电性和高亲水性等特性，以确保电子和离子能够顺畅地在其表面传输。
4. 当前收集器当前收集器通常位于电极的两侧，主要功能是将从阴、阳极产生的电流收集起来，形成整个燃料电池所产生的电流。
当前收集器也能起到导热和冷却的作用，以确保燃料电池的运行稳定和安全。
5. 隔膜隔膜的主要功能是隔开阳、阴极，以保证电化学反应正常进行，同时防止电解质膜被腐蚀。
隔膜的选择要考虑到其导电性、稳定性、耐腐蚀性、可加工性等因素。
综上所述，燃料电池的结构主要包括电极、电解质层、气体扩散层、当前收集器、隔膜等组成部分。
在实际应用中，不同类型的燃料电池具有各自不同的结构和特点，需要根据实际需求进行选择。
燃料电池膜电极技术难点及发展趋势
燃料电池膜电极技术难点及发展趋势燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其中膜电极是燃料电池的核心部分之一。
膜电极是将燃料和氧气分子通过电化学反应直接转化为电子和离子的薄膜。
膜电极技术的发展直接影响着燃料电池的性能和稳定性。
然而，膜电极技术还存在一些难点，并且正在发展中，本文将探讨这些难点以及未来的发展趋势。
一、膜电极技术的难点：1.膜电极材料的选择：膜电极材料需要具备一定的导电性和离子传导性能，同时还需要具有良好的耐化学腐蚀性和稳定性。
目前常用的膜电极材料有质子交换膜（PEM）和氧离子导电膜（SOFC）。
然而，两种材料在实际应用中仍存在一些问题，如PEM材料在高温下容易失去活性，而SOFC材料在低温下电导率较低。
因此，寻找新的膜电极材料是当前的研究重点之一。
2.氧化还原反应的催化剂：膜电极中的氧化还原反应需要催化剂的作用才能进行。
目前常用的催化剂有铂、钯等贵金属。
然而，贵金属催化剂的成本较高，并且容易受到污染物和燃料中有害物质的影响。
因此，寻找代替贵金属催化剂的新材料成为了研究的焦点。
3.产物的排放和废弃物处理：膜电极反应会产生一些废水和废气，其中可能含有有害物质。
这些废水和废气需要进行有效的处理和处理，以避免对环境的污染和人体的危害。
目前，如何高效地处理这些废水和废气成为了研究的难点。
二、膜电极技术的发展趋势：1.新材料的研究：为了解决膜电极材料的选择难题，研究人员正在寻找新的材料。
例如，钨酸盐、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物等材料被认为具有良好的导电性和稳定性，可以用于膜电极的制备。
此外，纳米材料和多孔材料的应用也可以提高膜电极的性能。
2.非贵金属催化剂的研究：为了降低燃料电池的成本，研究人员正在寻找代替贵金属催化剂的新材料。
例如，碳基材料、过渡金属氧化物和硫化物等材料被认为具有较好的催化性能，并且可以降低燃料电池的成本。
3.废弃物的回收利用：为了解决废水和废气处理的难题，研究人员正在寻找高效的处理方法。
燃料电池中多相流动的复杂流体力学特性研究
燃料电池中多相流动的复杂流体力学特性研究燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的高效能源装置，其工作原理是通过氧化还原反应将氢气和氧气转化为水，并产生电能的过程。
在燃料电池中，多相流动是一个十分重要的研究领域，因为流体力学特性对于电池性能和寿命有着重要的影响。
燃料电池中的多相流动是指在电池中存在两种或多种不同相态的物质共存并参与反应的情况。
最常见的多相流包括气液两相流、气固两相流和气液固三相流。
在燃料电池中，氢气和氧气在电解质膜中进行反应，产生水和电子，因此气体、液体和固体之间的相互作用十分复杂，需要深入研究其流体力学特性。
燃料电池中多相流动的复杂性主要表现在以下几个方面：首先，不同相态物质之间的传质和反应过程会导致燃料电池内部压力、温度和浓度的分布不均匀，影响电池的整体性能。
其次，多相流动会引起电池内部的液态水积聚问题，进一步影响反应速率和导电性能。
此外，多相流动还会导致电池内部的流动阻力增大，影响电池的输出功率和能效。
为了克服燃料电池中多相流动的这些问题，研究人员采用了各种实验和数值模拟方法来深入探讨多相流动的流体力学特性。
通过实验手段，可以观察到不同条件下的气液两相流动现象，如液态水在气流道中的积聚和传质现象，以及氢气和氧气在电解质膜中的反应速率和产物生成情况。
而数值模拟方法则可以通过建立多相流动的数学模型，模拟不同条件下各相态物质的运动规律和相互作用过程，为燃料电池设计和优化提供有力的依据。
在燃料电池中多相流动的流体力学特性研究中，液态水的管理是一个重要的研究方向。
由于燃料电池反应中必然会产生水蒸气，如果不能及时排除，就会在电池中积聚成液态水，从而阻碍氢氧反应的进行。
为了解决液态水积聚问题，研究人员提出了各种各样的方法，如气流道设计优化、涂层改性、温度控制等。
通过这些方法，可以有效地减少液态水在电池中的积聚，提高电池的效率和寿命。
另外，气液两相流动的传质问题也是燃料电池中多相流动研究的一个重要方面。
燃料电池的研究进展综述
燃料电池的研究进展综述⼀. 燃料电池简介1.定义燃料电池(Fuel Cells)是⼀种不需要经过卡诺循环的电化学发电装置，能量转化率⾼。
燃料和空⽓分别送进燃料电池，电就被奇妙地⽣产出来。
它从外表上看有正负极和电解质等，像⼀个蓄电池，但实质上它不能“储电”⽽是⼀个“发电⼚”。
由于在能量转换过程中，⼏乎不产⽣污染环境的含氮和硫氧化物，燃料电池还被认为是⼀种环境友好的能量转换装置。
由于具有这些优异性，燃料电池技术被认为是21世纪新型环保⾼效的发电技术之⼀。
随着研究不断地突破，燃料电池已经在发电站、微型电源等⽅⾯开始应⽤。
2.基本结构燃料电池的基本结构主要是由四部分组成，分别为阳极、阴极、电解质和外部电路。
通常阳极为氢电极，阴极为氧电极。
阳极和阴极上都需要含有⼀定量的电催化剂，⽤来加速电极上发⽣的电化学反应，两电极之间是电解质。
图1.燃料电池基本结构⽰意图3.分类⽬前燃料电池的种类很多，其分类⽅法也有很多种。
按不同⽅法⼤致分类如下：(1)按运⾏机理来分类：可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池；(2)按电解质的种类来分类：有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质；图2.燃料电池分类详细介绍(3)按燃料的类型来分类：有直接式燃料电池和间接式燃料电池；(4)按燃料电池⼯作温度分：有低温型(低于200℃)；中温型(200-750℃)；⾼温型(⾼于750℃)。
4.原理燃料电池的⼯作原理相对简单，主要包括燃料氧化和氧⽓还原两个电极反应及离⼦传输过程。
早期的燃料电池结构相对简单，只需要传输离⼦的电解质和两个固态电极。
当以氢⽓为燃料，氧⽓为氧化剂时，燃料电池的阴阳极反应和总反应分别为：阳极：H2 → 2Ｈ＋＋2ｅ-阴极：1/2 O2＋2Ｈ＋＋2ｅ-→Ｈ2O总反应：H2＋1/2Ｏ2 →H2O其中，Ｈ2通过扩散达到阳极，在催化剂作⽤下被氧化成和ｅ-，此后，Ｈ通过电解液到达阴极，⽽电⼦则通过外电路带动负載做功后也到达阴极，从⽽与O2发⽣还原反应（ORR）。
《基于Pr、Ce氧化物设计的低温固体氧化物燃料电池电解质的性能研究》范文
《基于Pr、Ce氧化物设计的低温固体氧化物燃料电池电解质的性能研究》篇一一、引言随着环保意识的增强和能源结构的转变，固体氧化物燃料电池（SOFC）因其高效、环保的特性受到了广泛关注。
然而，传统的SOFC在高温环境下工作，虽然保证了较高的能量转换效率，但同时也带来了材料稳定性、寿命和成本等问题。
因此，开发能够在低温环境下工作的SOFC成为当前研究的热点。
其中，电解质作为SOFC的核心组成部分，其性能的优劣直接影响到整个电池的性能。
本文基于Pr、Ce氧化物设计了一种新型的低温SOFC 电解质，并对其性能进行了深入研究。
二、材料设计与制备1. 材料选择Pr、Ce氧化物因其良好的离子导电性、化学稳定性和热稳定性被广泛应用于SOFC电解质的研究。
通过合理的设计和组合，可以制备出具有优异性能的电解质材料。
2. 制备方法采用溶胶-凝胶法结合高温烧结技术制备Pr、Ce氧化物复合电解质材料。
通过优化制备工艺，得到了具有良好致密性和电导率的电解质材料。
三、性能研究1. 结构表征利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等手段对Pr、Ce氧化物复合电解质材料的结构进行了表征。
结果表明，该电解质材料具有较好的结晶度和致密性，有利于离子传输。
2. 电化学性能通过电化学阻抗谱（EIS）和恒流放电测试等方法，研究了Pr、Ce氧化物复合电解质在低温条件下的电化学性能。
实验结果表明，该电解质在低温条件下具有较低的极化电阻和较高的放电功率密度。
此外，该电解质还具有较好的长期稳定性和化学稳定性。
四、结果与讨论1. 结果分析通过对Pr、Ce氧化物复合电解质材料的结构和电化学性能进行分析，发现该电解质在低温条件下具有优异的性能。
这主要得益于Pr、Ce氧化物的良好离子导电性以及合理的材料设计。
此外，该电解质还具有较高的机械强度和热稳定性，有利于提高SOFC 的寿命和可靠性。
2. 讨论与传统的高温SOFC相比，基于Pr、Ce氧化物的低温SOFC 电解质在性能上具有明显的优势。
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第38卷第1期有色金属材料与工程NONFERROUS METAL MATERIALS AND ENGINEERING Vol.38 No.l2017文章编号：2096 - 2983 (2017) 01 - 0001 - 05DOI ： 10.13258/j. cnki. nmme. 2017.01.001基于混合导电功能层的燃料电池研究刘雪琪，董文静，黄超，成兴宝，翟鸣亚，朱斌(湖北大学物理与电子科学学院，湖北武汉430062)摘要：采用二次固相法合成具有层状结构的电子导电材料一L iNi。
.8 Co。
.15 A1。
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5〇2 _ s (LNCA)，并将 其与离子导电材料Sm掺杂Ce〇2复合，获得具有电子-离子混合导电性的复合材料.并以此为功能 层，构造了无电解质隔膜层燃料电池（Electrolyte Free Manbrane Fuel Cell，EFFC).研究了功能层 的厚度以及电子-离子导电材料的比例对电池性能的影响，并阐述了影响机制.该电池在550 °C下获得了937 mW . cm_2的功率输出，且具备在更低温度下操作的可行性.关键词：混合导电；无电解质隔膜层；功能层；燃料电池中图分类号：TM 911.4 文献标志码：AMixed Conductive Composite as Functional Layer for Electrolyte Layer Free Fuel Cell ApplicationUUXueqi,DONGW enjing,H U A N G C hao,C H E N G Xingbao,ZH A I Mingya,Z H U B in(Faculty of Physics and Electronic Technology, Hubei University, Wuhan 430062, China)Abstract：In this study?an electronic conductor LiNi〇.8Co〇.i5Al〇.〇5Ci-5(LNCA) with layered structure was synthesized via solid-state reaction method. Then a mixed ion-electron conductor(MIEC) ?as the functional layer of EFFCCElectrolyte Free Manbrane Fuel Cell) devices, w as obtained by mixing LNCA with Sm doped CeCi (SDC).The functional layer is supposed to act as both catalyst and ion transport media. And next，the thickness of the functional layer as well as the weight proportion of LNCA vs SDC in the composite impact on the device performance was investigated. Finally it was found that the device achieved a maximum power output of 937 mW • cm"2at 550 °C ? and it was demonstrated that the device is valid for working under lower temperature.Keywords：mixed conductivity；electrolyte layer free；functional layer；fuel cell发展绿色能源技术是缓解能源危机和环境问题 的重要举措，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide FuelCell, S〇FC)是目前能源转换效率最高的能源转换方 式，备受各国的关注.传统的S0FC以离子电解质为核心，是一种包括阳极、电解质和阴极3层结构的电 化学器件.最近几十年，韩国、日本和欧美发达国家 对S0FC投入了大量的资金和人力以促进其商业化 发展.我国的燃料电池研究在国家的大力支持下也收稿日期：2016-12 - 20基金项目：国家自然科学基金资助项目（11604088)作者简介：刘雪琪（1993—），女，硕士研究生.研究方向：固体氧化物燃料电池.E-mail: 2896157336@ 通信作者：董文静(1986—）,女，讲师.研究方向：新能源材料与器件.E-mail: wenjingd@hubu. edu. cn2有色金属材料与工程2017年第38卷取得了重要的突破.但是就目前的状况而言，SOFC 技术在性能、寿命和成本上还没有完全达到商品化 的要求.原因之一，是其核心电解质层的Y2〇3掺杂 稳定的Z r〇2(YSZ)材料需要在800〜1 000 °C才能 达到足够高的氧离子电导率(〇. 1 S •cn T1).高温 下，阳极、电解质和阴极材料热膨胀系数的匹配是关 键，匹配不佳容易导致器件的失效.降低SOFC的操作温度可以降低电池本身的分 解以及相关材料之间的热匹配等问题，同时，低温操 作能大大降低所需材料的成本.因此，降低操作温度 成为SOFC的发展趋势.要使材料的电导率满足中 低温操作的要求，需要电解质材料具有超离子导电 性.一方面可以采用电解质材料薄膜化来增加其在 中低温下的电导率[1];另一方面可以发展新型的低 温高离子电导率材料，例如Sm掺杂Ce〇2(SDC)[2].此外，许多研究[3_4]表明，纳米复合材料的两相界面 能提供优异的性能.燃料电池反应中，有效催化主要发生在三相反 应界面处.为增加电池的三相反应界面（T rip le Phase Boundary，TP B)，往往采用离子导体与电极 的复合材料作为电极，该类型的材料被称为混合离子-电子导体（M ixed Ion-E lectron Conductor, M IEC).在M IE C电极中，离子导电材料可有效输运 催化产生的离子至电解质层，从而提高电池的性能. 2011年，Z hu等[5_«研究发现，利用低温SOFC的纳 米复合电极材料可以实现燃料电池的全部功能，这一 类型的电池被称为无电解质隔膜层燃料电池(Electrolyte Free Manbrane Fuel Cell,EFFC).电池在 550 °C下输出电流密度超过1 000 mW •cm_2,输出 功率密度可达600 mW•cnT2.该电池主体部分是以 具有混合离子-电子导电性的复合物作为功能层，占整个燃料电池厚度的绝大部分.功能层两侧是具有高 电子导电性材料涂覆的泡沫N i.此类电池制造过程极 其简单，可以采用一体化压制成型.且由于电池在低 温下工作，也避免了高温导致的热膨胀问题.与用于电极的M IE C材料不同，作为功能层的 M IE C中离子导电材料所占质量比高于电子导电材 料.研究发现，掺杂Ce〇2与固体氧化物中的传统电 极材料复合作为E F F C的功能层，都能获得较高的 性能输出.这些复合材料包括LiN iZ n〇2-s-SDC[5,7]、SFMO-SDC[8]、LSCT-SDC[9]和 LSCF-SCDC[1°]等. 锂电池电极材料用于E F F C中也能获得较高的性能 输出，如 L iM n〇2_s[11]、11：邡12]和 1^^〇[13]等.L iN i。
.8Co。
.2CV s(LNC)是一种优异的锂电池电极材料，具有较高的比容量，其层状结构利于L i的嵌入和脱出.同时，研究[14]表明L N C具有很好的催 化活性，而且层状结构材料有利于质子的传输[15]. A1掺杂可以进一步增加L N C的化学稳定性.研究[16]发现，L iN in Q^f t材料在500 °C以上具有良 好的电子导电性.本文以二次固相法合成具有层状结构的LiN io.sCo。
.i5A l〇.〇5〇2-«(LNCA)，作为电子导电材料，并将LN C A与在中低温下具有较高离子导电性的 SDC材料复合，以此材料为基础构造EFFC.研究复 合材料中LN C A与SD C的比例对电池性能的影响，以及功能层厚度对E FFC性能的影响.1试验1.1 LNCA的合成将反应初始物 N i(〇H)2、L i〇H •H2〇、C o3〇4、A l2〇3按一定比例称取并混合均匀，然后采用二次 高温固相法合成LNCA.第一次反应温度为520 °C，保温5 h.待中间产物自然冷却后研磨均匀进行第二 次升温，810 °C保温5 h，反应过程中均通入适量空 气.第二次高温反应的产物自然冷却后进行研磨，得 到最终产物.1.2燃料电池的制作将制备好的LNCA与松油醇混合至适当黏稠度，并刷涂于泡沫N i表面，待其干燥后作为E FFC电池 的电极.然后将LNCA与SDC按不同比例混合均匀，作为电池的功能层.按电极-功能层-电极的顺序将上 述物质利用粉末压片机压制成奵3 _的圆片，压力 为8〜10 MPa，电池有效面积为0.64 cm2.1.3材料与电池测试材料的物相结构分析采用B ruker AXS D8先进 X-射线衍射仪（XRD)，C u靶、扫描速度60/m in，扫描范围10°〜90°.材料的表面形貌分析采用JSM7100F场发射扫描电子显微镜（SEM).燃料电 池性能测试以IT8500作为电子负载，测试温度为 550 °C，以干H2作为燃料，空气作为氧源.2结果与讨论2. 1材料表征图1为合成的L N C A的X R D谱图，结果显示其 具有a-NaFe〇2层状结构.第1期刘雪琪，等:基于混合导电功能层的燃料电池研究3Fig. 1 XRD pattern of the as-synthesizedLNCA powder图2(a)和(b)为合成的L N C A的S E M形貌图.从图2(a)中可以看到，所合成的LN C A呈球状，直径在1〜几十微米.球状颗粒表面由许多小颗粒构成，可以提供较大的比表面积，从而有利于催化反应的发生.图2(c)为所用的S D C的S E M照片，从图2(c)中可以看出，SDC是由一些纳米尺寸的颗粒组成•图2(d)所示质量分数为30%LNCA/70%SDC的复合材料作为功能层压制成电池后的截面图.从图2(d)中可以看到，球状LN C A均勻分布于SDC之间.SOFC必须具备气密性，传统SOFC要求致密的电解质层，从而避免燃料和氧化剂在电池内部的短路.E F F C中没有致密电解质层.图2中压制而成的功能层较为致密，没有明显的缝隙，孔隙介于纳米尺寸，远小于熄火距离（约1mm)[17].因此，即使氢和氧在纳米结构的微通道相遇，也不存在爆炸的可能性.同时，E F F C的厚度也保证气体扩散只存在于电池表面较薄的区域.2.2燃料电池性能及其影响因素对于EFFC，其主体功能部分是M IE C复合材料.而M IE C复合材料的厚度不仅会影响电池压制过程中的成型，也会影响其内阻，从而影响其输出性 能.因此，首先研究了功能层厚度对电池性能的影 响.由于压制过程中采用相同的压力，故功能层的厚 度与所用粉末的质量相关.例如，0.35 g粉末经压制 后的厚度约〇.7 将LN C A与SDC按质量分数30%和70%的比例混合，并分别以0.35, 0. 50和0.70 g作为功能层构造EFFC.电池性能的输出曲线 如图3所示.由图3可知，中间层质量为0.50 g时，电池的最大输出功率略高于〇.35 g时的电池;功能层 质量为0.70 g时，电池输出功率最低，而开路电压最(d)电池截面图2 LNCA、SDC和电池功能层的SEM照片Fig. 2 SEM images of the material and devices 高.0.35 g及0.50 g的电池开路电压几乎相同，都保 持在1.0 V以上.说明，利用具有电子-离子混合导电 性的LNCA-SDC材料作为电池的功能层(中间层)不 会导致短路.同时，从极化曲线中可以看到，0.70 g功 能层的电池具有最大的极化电阻(约0.53 n•cm_2)，0.50 g的电池具有最低的极化电阻(约0.29 n•cm-2)•4有色金属材料与工程2017年第38卷1 000u500 1 000 1 500 2 000电流密度/ (mA.cm_2)图5不同温度下EFFC 的性能曲线Fig. 5 I-V-P characteristics of EFFC operatedat different temperature3结论(1)利用固相法合成了 LN C A 材料，该材料具有a -NaFe 02层状结构.(2) 将LN C A 与具有离子导电性的SDC 混合，5001 000 1 5002 000电流密度/ (mA.cm_2)(a)不同LNCA-SDC 质量比900800700 $ 600 | 500旦 400 ^300 S200吞1001 000800600400200铂齋(b)开路电压及最大输出功率随LNCA 质量分数的变化图4EFFC 的性能曲线Fig. 4 I-V-P characteristics of EFFCu500 1 000 1 500 2 000 2 500电流密度/ (mA‘cm_2)图3不同厚度功能层EFFC 的性能Fig. 3 I-V-P characteristics of EFFC withfunctional layers of different thickness图4为不同质量分数LNCA 的电池的性能输出 曲线.从图4中可以看到，电池的输出性能随组分变 化较大，其中30%LNCA/70%SDC 的电池具有最佳 的性能输出，获得了超过1.2 V 的开路电压，及约900 mW • cirTE 的最大输出功率密度.电池性能的差异来源于功能层中电子-离子导电材料比例的不 同.随着LNCA 质量分数的增加，复合材料的电子导 电性逐渐增强.研究[18]表明，两相复合材料中，当材 料内部的电子导电性与离子导电性平衡时，电池可 以获得最大的性能输出.当LNCA 所占质量分数为10%和40%时，电池的开路电压有所降低，但电池性能变化不大.当LNCA 的质量分数超过SDC 时， 电池开路电压降至〇. 9 V.这是因为，此时材料内部 电子导电性占主导，阳极催化产生的电子很容易经 由电池内部运动到阴极，发生短路.对于燃料电池，操作温度是影响其内部离子导电性的关键.对于传统的Y S Z 电解质，需达到1 000 °C 才能获得较高的电导率.而在EFFC 中，电子-离子混 合导电功能材料由于两相复合，在低温下就可以获得 较高的电导率.同时，要获得较好的电池输出性能，阴 阳极也必须具有较高的催化活性，这也与操作温度息 息相关•图5为不同操作温度下电池的性能输出•功 能层质量为0.35 g ，质量分数为30%LNCA /70%SDC 时发现，该电池在550 °C 具有最高的性能输出.随温 度的降低，电池性能有所衰减.然而，即使在450 °C ， 电池的开路电压仍保持在1 V 以上，且最大功率密度 超过400 mW • cm _2.说明电池在此温度下仍具有较 高的催化活性和离子电导率.这意味着该类型燃料电 池具备在低操作温度下运转的能力•r/«铂齋吞ooo o o oo o o o o o o o o o o o 98765432100(rS V A V S)/®®齋吞o oooo o o o 8642420.0.A/«tf逾fe3210987654321LL L 1.0.0.0.0-0.0.0.0.0.A/H a t f 蜜ft第1期刘雪琪，等:基于混合导电功能层的燃料电池研究5获得了混合电子-离子导电材料，并以此为功能层构造了 EFFC.该功能层同时起到电极催化和离子传导作用.(3)当质量分数为30%LNCA/70%SDC、功能层质量为0.50 g时，电池在550 °C下获得了最大输出功率密度937 mW . cm—2.而且，该电池在450 °C仍保持高开路电压和密度输出，表明其具备在低温下工作的潜力.参考文献：[1 ] PERGOLESI D, FABBRI E, D7 EPIFANIO A, et al. 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