分別采用絲網(wǎng)印刷和水熱原位生長技術(shù)在YSZ電解質(zhì)表面制備GDC隔離層，然后制備氧電極獲得氫電極支撐單電池。(1)絲網(wǎng)印刷：將Gd0.1Ce0.9O1.95(FuelCell Materials)漿料絲印在YSZ電解質(zhì)表面，干燥后于1250°C煅燒3 h；隨后在GDC表面絲印La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3?δ(LSCF，F(xiàn)uelCell Materials)氧電極，烘干后在1075°C煅燒2 h。(2)水熱原位生長：制備方法與前期文獻19報道相似，采用Ce(NO3)3?6H2O和Gd(NO3)3?6H2O作為原料，按照摩爾比0.8:0.2配置成60 mL濃度為0.1 mol?L?1的溶液并置于水熱反應(yīng)釜中；然后，將氫電極支撐半電池固定于聚四氟乙烯模具并浸入反應(yīng)釜溶液中，將水熱釜密封并置于180°C的烘箱中保溫36 h后自然降溫；最后，絲印LSCF氧電極，干燥后于1075°C與水熱原位生長GDC隔離層共燒結(jié)2 h。在上述制備的單電池氫電極與氧電極表面絲印1.2 mm×1.2 mm銀網(wǎng)格作為電流收集層，單電池有效氧電極面積為0.5 cm2。小孔氫電極的絲印和水熱隔離層單電池分別命名為cell-1、cell-2，大孔氫電極的絲印和水熱隔離層單電池分別命名為cell-3、cell-4。

1.2測試與表征

將單電池固定在單電池測試工裝上并用陶瓷膠(Aremco-552)密封，以2°C?min?1的速率升溫至780°C，過程中氫電極側(cè)通入50 mL?min?1加濕氮氣，氧電極側(cè)通入50 mL?min?1空氣。隨后，將氫電極側(cè)切換為50 mL?min?1含~4%H2O的加濕氫氣并還原5 h，然后在~0.9 V電壓下放電活化15 h，之后在開路狀態(tài)穩(wěn)定1 h。采用電化學(xué)工作站(Princeton P4000A，美國)測試780、750、720°C下的電化學(xué)交流阻抗譜(EIS，0.1 Hz–1 MHz，50 mV)及SOFC發(fā)電和SOEC電解性能(5 mV?s?1)。通過注射泵(雷弗TYD01-01，中國)控制進入蒸汽發(fā)生器(孚然德FD-HG，中國)的水量，在保證氫電極進氣總流量為50 mL?min?1

的前提下，調(diào)節(jié)氫氣與水蒸氣含量以控制水蒸氣體積含量為30%、50%、70%。使用掃描電子顯微鏡(SEM，JEOL JSM-IT500HR，日本)觀察單電池斷面微觀形貌。

2、結(jié)果與討論

2.1單電池結(jié)構(gòu)及微觀形貌

如圖1所示，還原后的小孔氫電極表現(xiàn)出亞微米尺寸海綿狀孔，主要由NiO還原為金屬Ni的過程中形成；相比之下，還原后的大孔氫電極還具有造孔劑燒蝕后形成的球形或橢球形不規(guī)則大孔，最大孔徑尺寸達到~20μm。在隔離層方面，絲印GDC為典型多孔結(jié)構(gòu)，厚度為~2.7μm；水熱原位生長GDC隔離層則為致密薄膜，厚度為~340 nm。

2.2單電池電化學(xué)交流阻抗譜

圖2為單電池在不同溫度、水分壓和開路電壓下的電化學(xué)交流阻抗譜及DRT(弛豫時間分布法)擬合結(jié)果。從圖中可以看出，采用水熱原位生長法制備的致密薄膜GDC隔離層能夠顯著降低單電池歐姆阻抗：在750°C、50%H2O和開路工況下，cell-2和cell-4的歐姆阻抗僅為0.128和0.153Ω?cm2，相比于cell-1和cell-3分別降低了~48%和~30%。此外，大孔氫電極單電池的極化阻抗也顯著減小，在上述工況下，cell-3和cell-4的極化阻抗為0.311和0.284Ω?cm2，相比cell-1和cell-2分別降低~22%和~28%。從DRT擬合結(jié)果可以看出，大孔氫電極單電池cell-3和cell-4的P2響應(yīng)峰(主要為氫電極氣體擴散主導(dǎo))相比于cell-1和cell-2明顯降低。在750°C、50%H2O和開路工況下，cell-2的氫電極擴散阻抗的DRT擬合值為0.168Ω?cm2，而cell-4僅為0.089Ω?cm2，表明大孔氫電極顯著加速了氣體擴散過程。此外還發(fā)現(xiàn)，采用水熱原位生長法制備的GDC隔離層能夠進一步降低P2、P4響應(yīng)，這可能與單電池氧電極界面接觸優(yōu)化、氧離子傳導(dǎo)阻力減小有關(guān)。