分别采用丝网印刷和水热原位生长技术在YSZ电解质表面制备GDC隔离层，然后制备氧电极获得氢电极支撑单电池。(1)丝网印刷：将Gd0.1Ce0.9O1.95(FuelCell Materials)浆料丝印在YSZ电解质表面，干燥后于1250°C煅烧3 h；随后在GDC表面丝印La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ(LSCF，FuelCell Materials)氧电极，烘干后在1075°C煅烧2 h。(2)水热原位生长：制备方法与前期文献19报道相似，采用Ce(NO3)3∙6H2O和Gd(NO3)3∙6H2O作为原料，按照摩尔比0.8:0.2配置成60 mL浓度为0.1 mol∙L−1的溶液并置于水热反应釜中；然后，将氢电极支撑半电池固定于聚四氟乙烯模具并浸入反应釜溶液中，将水热釜密封并置于180°C的烘箱中保温36 h后自然降温；最后，丝印LSCF氧电极，干燥后于1075°C与水热原位生长GDC隔离层共烧结2 h。在上述制备的单电池氢电极与氧电极表面丝印1.2 mm×1.2 mm银网格作为电流收集层，单电池有效氧电极面积为0.5 cm2。小孔氢电极的丝印和水热隔离层单电池分别命名为cell-1、cell-2，大孔氢电极的丝印和水热隔离层单电池分别命名为cell-3、cell-4。


1.2测试与表征


将单电池固定在单电池测试工装上并用陶瓷胶(Aremco-552)密封，以2°C∙min−1的速率升温至780°C，过程中氢电极侧通入50 mL∙min−1加湿氮气，氧电极侧通入50 mL∙min−1空气。随后，将氢电极侧切换为50 mL∙min−1含~4%H2O的加湿氢气并还原5 h，然后在~0.9 V电压下放电活化15 h，之后在开路状态稳定1 h。采用电化学工作站(Princeton P4000A，美国)测试780、750、720°C下的电化学交流阻抗谱(EIS，0.1 Hz–1 MHz，50 mV)及SOFC发电和SOEC电解性能(5 mV∙s−1)。通过注射泵(雷弗TYD01-01，中国)控制进入蒸汽发生器(孚然德FD-HG，中国)的水量，在保证氢电极进气总流量为50 mL∙min−1


的前提下，调节氢气与水蒸气含量以控制水蒸气体积含量为30%、50%、70%。使用扫描电子显微镜(SEM，JEOL JSM-IT500HR，日本)观察单电池断面微观形貌。


2、结果与讨论


2.1单电池结构及微观形貌

如图1所示，还原后的小孔氢电极表现出亚微米尺寸海绵状孔，主要由NiO还原为金属Ni的过程中形成；相比之下，还原后的大孔氢电极还具有造孔剂烧蚀后形成的球形或椭球形不规则大孔，最大孔径尺寸达到~20μm。在隔离层方面，丝印GDC为典型多孔结构，厚度为~2.7μm；水热原位生长GDC隔离层则为致密薄膜，厚度为~340 nm。


2.2单电池电化学交流阻抗谱

图2为单电池在不同温度、水分压和开路电压下的电化学交流阻抗谱及DRT(弛豫时间分布法)拟合结果。从图中可以看出，采用水热原位生长法制备的致密薄膜GDC隔离层能够显著降低单电池欧姆阻抗：在750°C、50%H2O和开路工况下，cell-2和cell-4的欧姆阻抗仅为0.128和0.153Ω∙cm2，相比于cell-1和cell-3分别降低了~48%和~30%。此外，大孔氢电极单电池的极化阻抗也显著减小，在上述工况下，cell-3和cell-4的极化阻抗为0.311和0.284Ω∙cm2，相比cell-1和cell-2分别降低~22%和~28%。从DRT拟合结果可以看出，大孔氢电极单电池cell-3和cell-4的P2响应峰(主要为氢电极气体扩散主导)相比于cell-1和cell-2明显降低。在750°C、50%H2O和开路工况下，cell-2的氢电极扩散阻抗的DRT拟合值为0.168Ω∙cm2，而cell-4仅为0.089Ω∙cm2，表明大孔氢电极显著加速了气体扩散过程。此外还发现，采用水热原位生长法制备的GDC隔离层能够进一步降低P2、P4响应，这可能与单电池氧电极界面接触优化、氧离子传导阻力减小有关。