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CN108352551A - 用于燃料电池电极的组合物 - Google Patents

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CN108352551A
CN108352551A CN201680063563.2A CN201680063563A CN108352551A CN 108352551 A CN108352551 A CN 108352551A CN 201680063563 A CN201680063563 A CN 201680063563A CN 108352551 A CN108352551 A CN 108352551A
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丁炛荣
Z·邢
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Rolls Royce Fuel Cell Systems US Inc
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Abstract

在一些实例中，燃料电池包括电解质；阴极阻挡层；和通过阴极阻挡层与电解质隔开的镍酸盐复合阴极。镍酸盐复合阴极包含镍酸盐化合物和离子导电材料。镍酸盐化合物包含以下至少一种：Pr2NiO4、Nd2NiO4、(PruNdv)2NiO4、(PruNdv)3Ni2O7、(PruNdv)4Ni3O10或(PruNdvMw)2NiO4，其中M是掺杂在Pr和Nd的A位上的碱土金属。离子导电材料包含通式为(AxBy)Ce1‑x‑yO2的第一共掺杂的氧化铈，其中第一共掺杂的氧化铈的A和B是稀土金属。阴极阻挡层包含通式为(AxBy)Ce1‑x‑yO2的第二共掺杂的氧化铈，其中第二共掺杂的氧化铈的A或B的至少一个是Pr或Nd。

Description

用于燃料电池电极的组合物
本申请要求2015年10月28日提交的美国临时申请号62/247,535的权益，其全部内容在此通过引用并入本文。
技术领域
本公开总的来说涉及燃料电池，例如固体氧化物燃料电池。
发明背景
燃料电池、燃料电池系统和用于燃料电池和燃料电池系统的互连仍然是感兴趣的领域。一些现有系统具有相对于某些应用而言的各种缺点、不足和不利之处。因此，这方面的技术仍然需要进一步的工作。
发明概述
描述了用于燃料电池(例如固体氧化物燃料电池)的阴极的示例性组合物。例如，描述了包括由镍酸盐复合材料形成的阴极的电化学燃料电池。阴极的镍酸盐复合材料可以包括镍酸盐化合物和离子导电材料。离子导电材料可以是共掺杂的氧化铈。例如，与只有镍酸盐化合物相比，镍酸盐复合阴极的组成可以允许阴极和燃料电池在燃料电池操作条件下改善的长期耐久性和高的性能。例如，镍酸盐复合阴极材料的镍酸盐化合物可以表现出例如与其它镍酸盐化合物相比而言相对低的面积比电阻(ASR)和更好的性能。可以选择镍酸盐复合阴极材料的共掺杂的氧化铈，以例如通过允许从镍酸盐化合物的A位和/或B位溶出(exsoluted)的元素扩散到离子相中而不是由溶出物形成氧化物来管理阴极内的材料的相互扩散和增加镍酸盐的相稳定性以提高阴极和燃料电池的长期耐久性。在一些实例中，B位上的Ni可能不扩散到离子相中(例如，B位上的Ni可能溶出并且不扩散到离子相中)。燃料电池还可以包括将燃料电池中的阴极与电解质隔开的阴极阻挡层。阴极阻挡层可以由共掺杂的氧化铈形成并且可以被配置为管理材料扩散(例如，离开阴极)并增加阴极相的稳定性。
在一个实例中，本公开涉及一种燃料电池，其包括阳极；电解质；阴极阻挡层；以及通过阴极阻挡层与电解质隔开的镍酸盐复合阴极；以及阴极集电器层。镍酸盐复合阴极包含镍酸盐化合物和离子导电材料，并且镍酸盐化合物包含以下至少一种：Pr2NiO4、Nd2NiO4、(PruNdv)2NiO4、(PruNdv)3Ni2O7、(PruNdv)4Ni3O10或(PruNdvMw)2NiO4，其中M是掺杂在Pr和Nd的A位上的碱土金属。离子导电材料包含通式为(AxBy)Ce1-x-yO2的第一共掺杂的氧化铈，其中第一共掺杂的氧化铈的A和B是稀土金属。阴极阻挡层包含通式为(AxBy)Ce1-x-yO2的第二共掺杂的氧化铈，其中第二共掺杂的氧化铈的A或B的至少一个是Pr或Nd。阳极、阴极阻挡层、镍酸盐复合阴极、阴极集电器层和电解质被配置为形成电化学电池。
在以下附图和描述中阐述了本公开的一个或多个实施方案的细节。基于该描述和附图以及权利要求书，本公开的其他特征、目的和优点将是显而易见的。
附图简要说明
本文的描述参考了附图，其中在几个视图中，相似的附图标记指代相似的部分。
图1是说明根据本公开的实施方案的示例性燃料电池系统的示意图。
图2是说明根据本公开的实施方案的燃料电池系统的示例性横截面的示意图。
图3A和3B分别是说明示例性镍酸盐阴极组合物在老化之前和之后的的XRD结果的图。
图4A和4B分别是说明示例性镍酸盐复合阴极组合物在老化之前和之后的XRD结果的图。
图5A和5B分别是说明另一示例性镍酸盐复合阴极组合物在老化之前和之后的XRD结果的图。
图6A和6B是两种不同的示例性阴极组合物的透射电子显微镜(TEM)图像。
图7A和7B是两种不同的示例性阴极组合物的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图8是说明示例性阴极不对称纽扣电池的短期耐久性测试的结果的图。
图9和10是来自对示例性镍酸盐和/或镍酸盐复合阴极进行的长期耐久性试验的结果的图。
图11是示出各种示例性镍酸盐复合阴极的阴极极化的柱状图。
参考附图，示意性地描绘了根据本公开的实施方案的燃料电池系统的非限制性实例的一些方面。在附图中，描绘了本公开的实施方案的各种特征、组件和各方面之间的相互关系。然而，本公开不限于所呈现的特定实施方案以及附图中说明的和本文所述的组件、特征和它们之间的相互关系。
发明详述
如上所述，本公开的实例涉及用于燃料电池(例如固体氧化物燃料电池)的阴极的示例性组合物。固体氧化物燃料电池可以是被配置为在相对高的温度(例如，大于约500摄氏度)下将燃料(例如氢)转化为电的电化学系统。在一些实例中，当在较低的温度下操作这些系统时，可以实现较低的功率衰减速率和较低的成本。然而，在较低的温度下，燃料电池的阴极的极化可能相对较高，这会影响系统的性能。
在一些实例中，阴极可以由通式为Ln2NiO4+δ的镧系元素镍酸盐形成。镧系元素镍酸盐可以具有钙钛矿和氯化钠型层的交替层的分层结构。当结构容差因子t小于1时，填隙(interstitial)氧化物离子容纳于平衡(Ln-O)和(M-O)键长的失配。这种高度流动的O2-表现出良好的离子电导率。而且，在这种结构中，Ni(Ill)/Ni(II)氧化还原对被固定在O2-:2p6谱带的顶部，以混合价态给出可接受的高电子电导率。由于其独特的结构，镧系元素镍酸盐阴极可能比用于固体氧化物燃料电池的其他阴极材料(例如LSM和LSCF)具有更低的活化能。此外，镧系元素镍酸盐阴极极化电阻对温度变化的依赖性可能比其他材料更小。因此，这种材料在较低的操作温度下可以保持较低的ASR。镍酸镨阴极表现出尤其低的ASR。但是，一个问题是，在燃料电池操作温度下，例如在约700至约900摄氏度之间，镍酸盐材料可能不稳定。例如，在燃料电池操作条件下，镍酸盐阴极的有利相倾向于分解成不期望的相，这导致燃料电池性能下降。
由于其ASR较低，尤其是在较低温度下，镍酸盐阴极仍然是燃料电池领域中感兴趣的。在一些实例中，可采用A位掺杂(例如Sr或Ca)和B位掺杂(例如Cu、Co、Fe等)以试图稳定镍酸盐相。然而，这样的尝试所取得的成功有限和/或存在其他问题，例如阴极的较高的热膨胀系数(CTE)，其导致与其他燃料电池材料或基底的不匹配。
分析已经表明，由元素从经掺杂的镍酸盐的A位溶出(例如Pr从Pr2NiO4的溶出)而引起的镍酸盐分解可能导致氧化物的形成。当太多A位元素从镍酸盐溶出时，Ni可能在B位上富集，并最终从B位溶出以形成NiO。分析还表明，溶出的A位元素倾向于扩散到稳定的氧化锆电解质顶部的由经掺杂的氧化铈制成的阴极夹层中。
根据本公开的某些方面，可以使用技术通过向镍酸盐阴极中添加离子相来管理镍酸盐阴极的相组成，以在燃料电池操作期间保持有利的相，以获得用于更高的三相边界和更强的阴极/夹层结合的相对精细的微观结构。例如，如下所述，离子相的组成可以基于镍酸盐阴极组合物而变化，以管理元素扩散(例如，使材料扩散最小化)，以在燃料电池操作期间保持有利的相。此外，与其他镍酸盐例如通式为Ln2NiO4+δ的镧系元素镍酸盐相比，阴极的特定镍酸盐组合物可以表现出更低的ASR和/或更好的性能。此外，本公开的实例还可以包括将燃料电池中的镍酸盐复合阴极与电解质隔开的阴极阻挡层。阴极阻挡层可以由共掺杂的氧化铈形成，并且可以被配置为管理材料扩散(例如，离开阴极)并且增加阴极相稳定性。
本公开的实例可以提供一个或多个优点。在一些实例中，与采用不同的阴极材料的燃料电池相比，通过在较低温度下操作系统，本文所述的镍酸盐复合阴极材料可以用于改善燃料电池系统的性能并降低成本。例如，通过采用这种镍酸盐复合阴极材料，燃料电池可以在约700至约900摄氏度之间的温度下操作，以从燃料源例如氢气、天然气或合成气燃料发电，并且具有高的性能、长期耐用性和降低的成本。在一些实例中，可以通过添加具有不同组成的离子相来管理燃料电池操作期间的镍酸盐复合阴极的相组成，以保持有利的相，以改善长期耐久性。在一些实例中，可以通过使用具有基于镍酸盐阴极的组成而选择的组成的阴极阻挡层来管理燃料电池操作期间的镍酸盐复合阴极的相组成，以保持有利的相，以改善长期耐久性。本公开的实例可以通过向阴极的镍酸盐添加离子相来提供改善的镍酸盐阴极微结构以增加用于更低的ASR和长期稳定性的三相边界。在一些实例中，本公开涉及用于改善镍酸盐阴极与阴极阻挡层的结合或连接的方法，其可以允许降低界面极化和/或改善长期阴极可靠性。已经对本公开的示例性镍酸盐复合阴极进行了多次电化学测试，并且该测试表明了改善的长期耐久性和降低的降解速率。本公开的实例可以提供其他额外的优点，例如，从本文的描述中显而易见的那些优点。
图1是说明根据本公开的实施方案的示例性燃料电池系统10的示意图。如图1所示，燃料电池系统10包括形成在基底14上的多个电化学电池12(或“单个燃料电池”)。电化学电池12通过互连体16串联联接在一起。燃料电池系统10是沉积在平坦的多孔陶瓷管上的串联分段布置，但应理解的是，本公开同样适用于在其他基底例如在圆形多孔陶瓷管上的串联分段布置。在各种实施方案中，燃料电池系统10可以是集成的平面燃料电池系统或管状燃料电池系统。
每个电化学电池12包括氧化剂侧18和燃料侧20。氧化剂通常是空气，但也可以是纯氧(O2)或其他氧化剂，例如包括用于具有空气循环回路的燃料电池系统的稀释空气，并且从氧化剂侧18供应到电化学电池12。基底14可以是特定设计的多孔性，例如，多孔陶瓷材料在燃料电池操作条件下是稳定的并且与其他燃料电池材料是化学兼容的。在其它实施方案中，基底14可以是表面改性材料，例如具有涂层或其他表面改性的多孔陶瓷材料，其例如被配置为防止或减少电化学电池12层和基底14之间的相互作用。诸如重整的烃燃料(例如合成气)的燃料经由多孔基底14中的通道(未示出)从燃料侧20供应到电化学电池12。尽管在一些实例中可以采用空气和从烃燃料重整的合成气，但应理解，可以采用使用其他氧化剂和燃料(例如纯氢和纯氧)的电化学电池而不脱离本公开的范围。此外，尽管燃料通过基底14供应到电化学电池12，但应理解，在其他实施方案中，氧化剂可以经由多孔基底供应到电化学电池。
图2是说明根据本公开的实施方案的电化学燃料电池12的示例性配置的概念图。电化学燃料电池12可以由丝网印刷到基底(或多孔阳极阻挡层)14上的多个层形成。这可以包括一种工艺，由此编织的网具有开口，燃料电池层通过该开口沉积到基底14上。丝网的开口决定了被印刷的层的长度和宽度。丝网目数、线直径、油墨固体含量和油墨流变性可以决定被印刷的层的厚度。
电化学电池12包括阴极集电器22、阴极24、阴极阻挡层26、电解质28和阳极30。在一种形式中，各个组件中的每一个可以是单个层或者可以由任何数目的子层形成。应该理解的是，图2不一定是成比例的。例如，出于清楚说明的目的，放大了垂直尺寸。此外，在其他实例中，可以存在一个或多个其他层，例如在阳极30的与电解质28相对的一侧上的阳极集电器。
在电化学电池12中，阳极30经由互连体16(如图1所示)将自由电子传导至阴极集电器22。阴极集电器22将电子传导至阴极24。互连体16(如图1所示)电联接到阳极30和相邻的电化学电池的阴极集电器22。
用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的互连体16(图1)优选是导电的，以便将电子从一个电化学电池传输到另一个；在燃料电池操作期间在氧化和还原两种环境下均是机械和化学稳定的；并且是无孔的，以防止燃料和/或氧化剂通过互连体扩散。如果互连体是多孔的，则燃料可能扩散到氧化剂侧并燃烧，导致局部热点，这可能导致燃料电池寿命的降低(例如由于材料的降解和机械故障)，以及燃料电池系统的效率的降低。类似地，氧化剂可能扩散到燃料侧，导致燃料的燃烧。严重的互连体泄漏可能显著降低燃料电池的燃料利用率和性能，或导致燃料电池或燃料电池堆的灾难性故障。
互连体16可以由包括Ag、Pd、Au和/或Pt和/或其合金的贵金属形成，但也可以使用其他材料而在不偏离本公开的范围。例如，在其他实施方案中，可替代地，设想可以采用其他材料，包括贵金属合金，例如Ag-Pd、Ag-Au、Ag-Pt、Au-Pd、Au-Pt、Pt-Pd、Ag-Au-Pd、Ag-Au-Pt、Ag-Au-Pd-Pt和/或在Pt-Pd-Au-Ag家族中的二元、三元、四元合金，包括具有少量非贵金属添加剂的合金、由贵金属组成的金属陶瓷、贵金属合金、以及惰性陶瓷相(例如氧化铝)，或具有最小离子导电率的陶瓷相，其不会产生显著的寄生效应，例如YSZ(氧化钇稳定的氧化锆，也称为氧化钇掺杂的氧化锆，氧化钇掺杂为3-8mol％，优选3-5mol％)；ScSZ(氧化钪稳定的氧化锆，氧化钪掺杂为4-10mol％，优选4-6mol％)；掺杂的氧化铈和/或导电陶瓷，如具有A或B位取代或掺杂以实现足够的相稳定性和/或足够的导电性的导电钙钛矿作为互连体，例如，包括以下中的至少一种：经掺杂的钛酸锶(例如LaxSr1-xTiO3-δ，x＝0.1至0.3)、LSCM(La1-xSrxCr1-yMnyO3，x＝0.1至0.3且y＝0.25至0.75)、经掺杂的钇铬铁矿(chromites)(如Y1-xCaxCrO3-δ，x＝0.1-0.3)和/或其它掺杂的镧系元素铬铁矿(例如La1-xCaxCrO3-δ，其中x＝0.15-0.3)，以及导电陶瓷，例如经掺杂的钛酸锶、经掺杂的钇铬铁矿、LSCM(La1-xSrxCr1- yMnyO3)和其它经掺杂的镧系元素铬铁矿。在一个实例中，互连体16可以由y(PdxPt1-x)-(l-y)YSZ形成。其中x是0至1的重量比，对于较低的氢通量，优选x为0至0.5。Y是0.35至0.80的体积比，优选y为0.4至0.6。
阳极30可以是由镍金属陶瓷形成的电极导电层，例如Ni-YSZ(例如，其中在氧化锆中的氧化钇掺杂为3-8mol％)、Ni-ScSZ(例如，其中氧化钪掺杂为4-10mol％；优选对于10mol％的氧化钪-ZrO2，包括第二掺杂，例如1mol％的氧化铈，用于相稳定)和/或Ni-掺杂的氧化铈(例如Gd或Sm掺杂)、掺杂的镧系元素铬铁矿(例如在A位上的Ca掺杂和在B位上的Zn掺杂)、掺杂的钛酸锶(例如在A位上的La掺杂和在B位上的Mn掺杂)、La1-xSrxMnyCr1-yO3和/或基于Mn的通式为(La1-xSrx)n+1MnnO3n+1的R-P相。或者，认为可以使用其它材料用于阳极30，例如部分或全部基于贵金属的金属陶瓷。金属陶瓷中的贵金属可以包括例如Pt、Pd、Au、Ag和/或其合金。陶瓷相可以包括例如非活性的非导电相，包括例如YSZ、ScSZ和/或一种或多种其他非活性相，例如具有期望的CTE，以便将层的CTE控制为与基底和电解质的CTE匹配。在一些实施方案中，陶瓷相可以包括Al2O3和/或尖晶石，例如NiAl2O4、MgAl2O4、MgCr2O4和NiCr2O4。在其它实施方案中，陶瓷相可以是导电的，例如掺杂的镧系元素铬铁矿、掺杂的钛酸锶和/或一种或多种形式的LaSrMnCrO和/或通式(La1-xSrx)n+1MnnO3n+1的R-P相。
电解质28可以由陶瓷材料制成。在一种形式中，可以使用质子和/或氧离子传导陶瓷。在一种形式中，电解质28由YSZ形成，例如3YSZ和/或8YSZ。在其他实施方案中，除了YSZ之外或代替YSZ，电解质层28可以由ScSZ形成，例如4ScSZ、6ScSz和/或10Sc1CeSZ。在其他实施方案中，可以使用其他材料。例如，可替代地，认为电解质28可以由掺杂的氧化铈和/或掺杂的镧系元素没食子酸盐制成。在任何情况下，电解质28对于燃料电池10所使用的流体(例如作为燃料的合成气或纯氢以及例如作为氧化剂的空气或O2)通过其的扩散而言基本上是不能渗透的，但允许氧离子或质子的扩散。
阴极集电器22可以是由导电陶瓷形成的电极导电层，所述导电陶瓷为例如以下至少一种：LaNixFe1-xO3(例如LaNi0.6Fe0.4O3)、La1-xSrxMnO3(例如La0.75Sr0.25MnO3)、La1-xSrxCoO3和/或Pr1-xSrxCoO3，如Pr0.8Sr0.2CoO3。在其他实施方案中，阴极集电器22可以由其他材料例如贵金属金属陶瓷形成，但是也可以采用其他材料，而不脱离本发明的范围。贵金属金属陶瓷中的贵金属可以包括例如Pt、Pd、Au、Ag和/或其合金。陶瓷相可以包括例如YSZ、ScSZ和Al2O3或其他期望的非导电陶瓷材料，以控制热膨胀。如下文所述，在一些实例中，阴极集电器22可以由与阴极24的镍酸盐复合材料为化学相容的导电陶瓷(例如LNF)形成。例如，当导电陶瓷与镍酸盐复合材料为化学相容时，当两种材料彼此接触时，基本上不发生化学反应并且没有第三相形成。
在一些实例中，阳极30可以具有大约5至20微米的厚度，但是也可以采用其他值，而不脱离本发明的范围。例如，认为在其它实施方案中，阳极层可以具有大约5至40微米的厚度。还在其他实施方案中，例如取决于具体的阳极材料和应用，可以使用不同的厚度。
电解质28可以具有大约5至15微米的厚度，其中单个子层厚度最小为约5微米，但是也可以采用其他厚度值，而不脱离本发明的范围。例如，认为在其他实施方案中，电解质层可以具有大约5至200微米的厚度。还在其他实施方案中，例如取决于具体的材料和应用，可以使用不同的厚度。
阴极24可以具有大约3至30微米，例如大约5至10微米的厚度，但是也可以采用其它值，而不脱离本发明的范围。例如，认为在其他实施方案中，阴极层可以具有大约10至50微米的厚度。还在其他实施方案中，例如取决于具体的阴极材料和应用，可以使用不同的厚度。
阴极集电器22可以具有大约5至100微米的厚度，但是也可以采用其他值，而不脱离本发明的范围。例如，认为在其他实施方案中，阴极集电器22可以具有小于或大于大约5至100微米的厚度。还在其他实施方案中，例如取决于具体的材料和应用，可以使用不同的厚度。
在一些实例中，阴极可以仅是电子导体。为了改善阴极性能，可以添加单独的离子相，以帮助氧离子从电解质界面转移到三相边界。一些阴极，如镍酸盐，可以是混合的离子-电子导体。理论上，第二离子相可能不是这些阴极材料所必需的。然而，对于这些材料如镍酸盐而言，与第二离子相一起形成复合阴极是有益的。益处可能包括但不限于：微结构控制以增加三相边界；改善界面粘附以增加三相边界并降低界面欧姆电阻；或管理材料扩散(例如对于镍酸盐)。
根据本公开的实例，阴极24可以由包含镍酸盐化合物和离子导电材料的镍酸盐复合材料形成。镍酸盐化合物可以包含以下中的至少一种：Pr2NiO4、Nd2NiO4、(PruNdv)2NiO4、(PruNdv)3Ni2O7、(PruNdv)4Ni3O10或(PruNdvMw)2NiO4，其中M是掺杂在Pr和Nd的A位上的碱土金属，0.05≤M≤0.3，0.9≤u+v≤1.1，优选0.95≤u+v≤1.0，0.9≤u+v+w≤1.1，优选0.95≤u+v+w≤1.0。例如与其他镍酸盐化合物(例如通式为Ln2NiO4+δ的镧系元素镍酸盐)相比，就燃料电池的ASR或内部电阻而言，由这种镍酸盐化合物形成的复合阴极可以表现出相对较低的ASR和相对较高的性能。ASR越低，性能越高。更高的ASR将导致更高的热损失和更少的功率输出。在一些实例中，镍酸盐复合阴极24在1巴、约790摄氏度或更低下可以具有约0.02ohm-cm2的ASR以及更低的降解速率。
可以提供阴极24的离子导电材料，以与仅具有镍酸盐组合物的阴极相比，改善阴极24的一个或多个性质，例如增加的三相边界、改进的与阴极阻挡层的粘附性、期望的相构成以及降低阴极层24在高温操作环境中的降解。离子导电材料可以包含通式为(AxBy)Ce1-x-yO2的第一共掺杂的氧化铈，其中第一共掺杂的氧化铈的A和B是稀土金属。在一些实例中，第一共掺杂的氧化铈的A和B中的任意一个是Pr或Nd。在一些实例中，第一共掺杂的氧化铈的A是Pr，并且阴极阻挡层的B是Nd。理论上可以选择任何稀土金属用于A或B。但是，由于在镍酸盐的A位上有Pr或Nd，对于A、或B、或者A和B而言，可以优选Pr或Nd，或者Pr和Nd，以获得在镍酸盐和经掺杂的氧化铈之间更少的材料相互扩散。
在一些实例中，本公开的实例可通过使材料扩散最小化来控制和管理镍酸盐复合阴极中的相构成，以维持用于较低的阴极或燃料电池降解速率的期望相。例如，离子导电材料的存在和组成可以管理镍酸盐复合阴极24中材料的相互扩散并维持期望的相构成。镍酸盐具有通式An+1BnO3n+1(n＝l、2和3)，并具有组成变化的不同相。当n＝1时，本文提到的镍酸盐相在燃料电池操作条件下可能是不稳定的，并且A位中的稀土金属如Pr，倾向于从镍酸盐结构中溶出并形成氧化物。与镍酸盐化合物的CTE(例如约14ppm/K)相比，PrOx氧化物具有较高CTE(例如，从室温至约900摄氏度为约19ppm/K)。稀土金属从A位的持续溶出可能导致Ni在B位中的富集，然后Ni可能从B位溶出并形成NiO，其是已知的没有活性的催化剂。稀土金属氧化物(如PrOx)和NiO都可以被称为复合阴极中的第三相。因为三相边界的减少和由于热应力导致的从电解质或阴极阻挡层的局部阴极脱附，镍酸盐复合阴极中第三相的形成可能改变阴极微结构和热膨胀并引起降解。
因此，稀土金属氧化物(如PrOx)和NiO可能不是期望的相。经掺杂的氧化铈可能是一个稳定的相。当与镍酸盐化合物形成复合阴极时，它可以吸附从镍酸盐溶出的稀土金属氧化物如PrOx，以形成固溶体，以避免不期望的相形成。尤其是如果经掺杂的氧化铈在其起始组成中已经含有Pr或Nd，或Pr和Nd二者时，它可以减缓或阻碍稀土金属从镍酸盐中的溶出。以这种方式，在一些实例中，离子相可以管理镍酸盐复合阴极中的相构成，这可以通过控制经掺杂的氧化铈的组成和添加到镍酸盐中的经掺杂的氧化铈的量来实现。
阴极24可以包括任何合适浓度的镍酸盐化合物和离子导电化合物。在一些实例中，阴极24可以包含大约10重量％(wt％)至大约95wt％的镍酸盐化合物，例如大约50wt％至大约70wt％的镍酸盐化合物。在一些实例中，阴极24可以包含大约5wt％至大约90wt％的离子导电化合物，例如大约20wt％至大约50wt％的离子导电化合物。在一些实例中，取决于掺杂的氧化铈和镍酸盐化合物二者的化学组成，优选的离子相与镍酸盐的比可以为约10wt％至约50wt％。如果离子相太低，则其不能吸附从镍酸盐溶出的所有稀土金属氧化物(其将形成不希望的第三相)。如果离子相太高，则稀土金属从镍酸盐的溶出可能会持续，因为离子相可以吸附更多的稀土金属，直到形成在B位上富集的镍酸盐化合物，这可能导致NiO从镍酸盐的B位溶出并形成不希望的第三相NiO。在一些实例中，阴极24可由或基本上由镍酸盐化合物和离子导电化合物形成或者包含镍酸盐化合物和离子导电化合物。
在高温下(例如，高于例如约700摄氏度)，在燃料电池12运行之后，阴极24的组成可能不同于制造时的组成。例如，稀土金属从镍酸盐的溶出可能改变阴极微结构，减少三相边界并增加阴极CTE，造成局部区域中阴极从电解质或阴极阻挡层的脱附。这可能进一步引起B位富集的镍酸盐阴极的形成，其可能导致NiO从镍酸盐阴极的B位溶出。所有这些微结构和相变化可能会增加阴极ASR。在一些实例中，使用对称纽扣电池，在大约790摄氏度或更高的温度下操作大约100小时后，阴极24基本上没有由镍酸盐化合物的A位元素和/或B位元素溶出而形成的氧化物，降解速率为约0.03ohm-cm2/1000hr。在一些实例中，使用串联分段电池设计，在大约790摄氏度或更高的温度下操作约100至约2200小时后，阴极24包括在离子导电材料的相中的扩散的来自镍酸盐的溶出物，降解速率为约0.002至约0.013ohm-cm2/1000hr。在一些实例中，在大约860摄氏度的温度下操作大约6600小时之后，具有阴极24的燃料电池呈现出大约0.22ohm-cm2或更小的面积比电阻(ASR)。
此外，如图2所示，电化学燃料电池12可以包括电解质28和阴极24之间的阴极阻挡层26。阴极阻挡层26可以由通式为(AxBy)Ce1-x-yO2的第二共掺杂的氧化铈形成，其中第二共掺杂的氧化铈的A或B的至少一个是Pr或Nd。在一些实例中，第二共掺杂的氧化铈的A是Pr，并且阴极阻挡层的B是Nd。
在一些实例中，阴极阻挡层26的功能可以是至少两倍。首先，阻挡层可以防止电解质28(例如Y或Sc稳定化的氧化锆)与镍酸盐之间的化学相互作用。没有阴极阻挡层26，在燃料电池操作期间的某些条件下，镍酸盐中的稀土金属(例如Pr)可以与电解质28相互作用以形成Pr2Zr2O7不期望的相，从而增加电池ASR。其次，阴极阻挡层26可以帮助基于浓度差(材料倾向于从较高浓度迁移到较低浓度)来控制稀土金属从镍酸盐化合物的溶出，以管理阴极24中的相构成并保持期望的相以降低降解速率。例如，可以选择(PrxNdy)Ce1-x-yO2阴极阻挡层作为用于(PruNdv)2NiO4、(PruNdv)3Ni2O7和(PruNdv)4Ni3O10阴极以及由这种镍酸盐化合物组成的复合阴极的阴极阻挡层26。
在燃料电池12的一个实例中，阴极24由通式为Pr2NiO4,-AxByCe(1-x-y)O2的复合镍酸盐形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)，B是不同于A的稀土金属元素(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)。在一些实例中，A和B中的一个优选是Pr。阴极阻挡层26由通式为AxByCe(1-x)O2的组合物形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)；B是不同于A的稀土金属元素(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)。在一些实例中，优选A或B是Pr。阴极集电器22可以由与阴极24的镍酸盐化合物为化学相容的导电陶瓷(例如LNF)形成。例如，当导电陶瓷与镍酸盐复合物为化学相容时，当两种材料彼此接触时，基本上不发生化学反应并且没有第三相形成。
在另一个实例中，阴极24由通式为Nd2NiO4,-AxCe(1-x)O2的复合镍酸盐形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0<x<1(优选0.1≤x≤0.4)。阴极阻挡层26由通式为AxCe(1-x)O2的组合物形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0<x<1(优选0.1≤x≤0.4)。阴极集电器22可以由与阴极24的镍酸盐复合物为化学相容的导电陶瓷(例如LNF)形成。例如，当导电陶瓷与与镍酸盐复合物为化学相容时，当两种材料彼此接触时，基本上不发生化学反应并且没有第三相形成。
在另一个实例中，阴极24由通式为Nd2NiO4,-AxByCe(1-x-y)O2的复合镍酸盐形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)；B是不同于A的稀土金属元素(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)。在一些实例中，A和B中的一个优选是Nd。阴极阻挡层26由通式为AxByCe(1-x)O2的组合物形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)；B是不同于A的稀土金属元素(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)。在一些实例中，优选A或B是Nd。阴极集电器22可以由与阴极24的镍酸盐复合物为化学相容的导电陶瓷(例如LNF)形成。例如，当导电陶瓷与镍酸盐复合物化学相容时，当两种材料彼此接触时，基本上不发生化学反应并且没有第三相形成。
在另一个实例中，阴极24由通式为(PruNdv)2NiO4,-AxByCe(1-x-y)O2的复合镍酸盐形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0≤x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)；B是不同于A的稀土金属元素(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)，0<u<1且0<v<1(优选0.25<u<0.75且0.25<v<0.75)。在一些实例中，A和B中的一个优选是Pr和Nd。这可能包括以下情况：1)A或B是Pr；2)A或B是Nd；3)A是Pr且B是Nd。阴极阻挡层26由通式为AxByCe(1-x)O2的组合物形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)；B是不同于A的稀土金属元素(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)。在一些实例中，优选A和B是Pr和Nd。这可能包括以下情况：1)A或B是Pr；2)A或B是Nd；3)A是Pr且B是Nd。阴极集电器22可以由与阴极24的镍酸盐复合物为化学相容的导电陶瓷(例如LNF)形成。例如，当导电陶瓷与镍酸盐复合物为化学相容时，当两种材料彼此接触时，基本上不发生化学反应并且没有第三相形成。
在另一个实例中，阴极24由通式为(PruNdv)3Ni2O7,-AxByCe(1-x-y)O2的复合镍酸盐形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)；B是不同于A的稀土金属元素(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)，0<u<1且0<v<1(优选0.25<u<0.75且0.25<v<0.75)。在一些实例中，A和B中的一个优选是Pr和Nd。这可能包括以下情况：1)A或B是Pr；2)A或B是Nd；3)A是Pr且B是Nd。阴极阻挡层26由通式为AxByCe(1-x)O2的组合物形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)；B是不同于A的稀土金属(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)。在一些实例中，优选A和B是Pr和Nd。这可能包括以下情况：1)A或B是Pr；2)A或B是Nd；3)A是Pr且B是Nd。阴极集电器22可以由与阴极24的镍酸盐复合物为化学相容的导电陶瓷(例如LNF)形成。例如，当导电陶瓷与镍酸盐复合物为化学相容时，当两种材料彼此接触时，基本上不发生化学反应并且没有第三相形成。
在另一个实例中，阴极24由通式为(PruNdv)4Ni3O10,-AxByCe(1-x-y)O2的复合镍酸盐形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)；B是不同于A的稀土金属元素(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)。在一些实例中，A和B中的一个优选是Pr和Nd。这可能包括以下情况：1)A或B是Pr；2)A或B是Nd；3)A是Pr且B是Nd。阴极阻挡层26由通式为AxByCe(1-x)O2的组合物形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)；B是不同于A的稀土金属(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)，0<u<1且0<v<1(优选0.25<u<0.75且0.25<v<0.75)。在一些实例中，优选A和B是Pr和Nd。这可能包括以下情况：1)A或B是Pr；2)A或B是Nd；3)A是Pr且B是Nd。阴极集电器22可以由与阴极24的镍酸盐复合物为化学相容的导电陶瓷(例如LNF)形成。例如，当导电陶瓷与镍酸盐复合物为化学相容时，当两种材料彼此接触时，基本上不发生化学反应并且没有第三相形成。
在另一个实例中，阴极24由通式为(PruNdvMw)2NiO4,-AxByCe(1-x-y)O2的复合镍酸盐形成，其中M是碱土金属(例如Sr、Ca、Ba等)，0<u<1且0<v<1(优选0.3<u<0.7且0.3<v<0.7或0.25<u<0.75且0.25<v<0.75)，0<w<0.3(优选0.05<w<0.15)，A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)，B是不同于A的稀土金属元素(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)。在一些实例中，A和B中的一个优选是Pr和Nd。这可能包括以下情况：1)A或B是Pr；2)A或B是Nd；3)A是Pr且B是Nd。阴极阻挡层26由通式为AxByCe(1-x)O2的组合物形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)；B是不同于A的稀土金属(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)。在一些实例中，优选A和B是Pr和Nd。这可能包括以下情况：1)A或B是Pr；2)A或B是Nd；3)A是Pr且B是Nd。阴极集电器22可以由与阴极24的镍酸盐复合物为化学相容的导电陶瓷(例如LNF)形成。例如，当导电陶瓷与镍酸盐复合物为化学相容时，当两种材料彼此接触时，基本上不发生化学反应并且没有第三相形成。
在另一个实例中，阴极24由通式为(PruNdvMw)2Ni1-zNzO4,-AxByCe(1-x-y)O2的复合镍酸盐形成，其中M是碱土金属(例如Sr、Ca、Ba等)，0<u<1且0<v<1(优选0.25<u<0.75且0.25<v<0.75)，0<w<0.3(优选0.05<w<0.15)，N是过渡金属(例如Cu、Co、Mn、Fe、Cr等)，0<z<0.5(优选0.05<z<0.2)，A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)，B是不同于A的稀土金属元素(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)。在一些实例中，A和B中的一个优选是Pr和Nd。这可能包括以下情况：1)A或B是Pr；2)A或B是Nd；3)A是Pr且B是Nd。阴极阻挡层26由通式为AxByCe(1-x)O2的组合物形成，其中A是稀土金属(例如La、Pr、Nd、Gd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，0<x<0.5(优选0.05≤x≤0.3)；B是不同于A的稀土金属(例如Gd、La、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等)，并且0≤y<0.5(优选0.05≤y≤0.3)。在一些实例中，优选A和B是Pr和Nd。这可能包括以下情况：1)A或B是Pr；2)A或B是Nd；3)A是Pr且B是Nd。阴极集电器22可以由与阴极24的镍酸盐复合物为化学相容的导电陶瓷(例如LNF)形成。例如，当导电陶瓷与镍酸盐复合物为化学相容时，当两种材料彼此接触时，基本上不发生化学反应并且没有第三相形成。
实施例
进行了各种实验以评价根据本公开的示例性阴极组合物和采用这种阴极组合物的燃料电池的一个或多个方面。然而，本公开的实例不限于实验的阳极组合物。
在一个实例中，制造由式(Pr0.5Nd0.5)2NiO4的材料形成的镍酸盐小球，然后在大约870摄氏度下将其老化约500小时。图3A说明了如此制造的镍酸盐小球的XRD图谱。图3B说明了镍酸盐小球在老化后的XRD图谱。如图所示，在老化后鉴定出了从镍酸盐溶出的PrOx氧化物，其是不期望的第三相，因为它可能改变阴极微结构，减少三相边界，并导致局部区域中的阴极脱附，这是由于CTE失配导致的较高热应力引起的。
在另一个实例中，制造由式(Pr0.5Nd0.5)2NiO4-15％GDC10的材料形成的镍酸盐小球，然后在大约870摄氏度下将其老化约500小时。图4A说明了如此制造的镍酸盐复合小球的XRD图谱。图4B说明了镍酸盐复合小球在老化后的XRD图谱。如图所示，由于溶出的Pr扩散入GDC相中，所以在老化的镍酸盐复合物中没有形成PrOx氧化物。然而，在老化后鉴定出了一个小的NiO峰。尽管PrOx和NiO两者都可能是不期望的相，但由于不期望的相的显著减少，所以与(Pr0.5Nd0.5)2NiO4阴极相比，(Pr0.5Nd0.5)2NiO4-15％GDC10复合阴极在500小时的老化后显示改善得多的相构造。
在另一个实例中，制造由式(Pr0.5Nd0.5)2NiO4-15％(Pr0.24Nd0.21)Ce0.55Ο2的材料形成的镍酸盐复合小球，然后在大约870摄氏度下将其老化约500小时。图5A说明了如此制造的镍酸盐复合小球的XRD图谱。图5B说明了镍酸盐复合小球在老化后的XRD图谱。如图所示，在材料中没有发现PrOx和NiO两者的第三相。此外，对于示例性的复合阴极材料，在烧制和老化期间发生了较少的材料迁移。经鉴定出的相为高级镍酸盐(例如，n＝3)和经掺杂的氧化铈(Pr,Nd,Ce)Ox。在这个实例中，因为两个相都是期望的相，所以与(Pr0.5Nd0.5)2NiO4-15％GDC10复合阴极相比，在870℃老化500小时后，(Pr0.5Nd0.5)2NiO4-15％(Pr0.24Nd0.21)Ce0.55O2，仅存在高级镍酸盐和经掺杂的氧化铈相，其表明进一步改善的相构成。如前所述，镍酸盐具有不同的相，n＝1(低级相)，2和3(高级相)。所有都是期望的相。
图6A是上述示例性(Pr0.5Nd0.5)2NiO4材料在大约870摄氏度下老化约500小时后的透射电子显微镜(TEM)图像。如该图像所示，鉴定出了(Pr,Nd)Ox氧化物，例如在图6A中的位置5、6、7和8处。
图6B是上述示例性(Pr0.5Nd0.5)2NiO4-15％GDC10复合材料在大约870摄氏度下老化约500小时后的TEM图像。如该图像所示，Pr和Nd扩散到GDC中并形成(Pr,Nd,Gd)CeO2固溶体，例如在图6B中的位置5、6和7处。测得固溶体中的Pr和Nd分别高达约29％和约20％。此外，鉴定出了NiO，例如图6B中的位置1。
镍酸盐或镍酸盐复合阴极的TEM分析证实了我们关于稀土金属从镍酸盐溶出以及其溶解到第二离子相，经掺杂的氧化铈中的假说。通过选择用作氧化铈的掺杂剂的稀土金属和掺杂水平，以及复合阴极中经掺杂的氧化铈的添加水平，可以管理阴极中的相构成。
图7A和7B是两个示例性的电化学电池结构(阴极对称电池)在870℃，14％O2-3％H2O和300mA/cm2下操作150小时后的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中该电化学电池结构包括LNF CCC层、镍酸盐阴极层和GDC10阴极阻挡层，在图2所示的构造中在老化之后。在图7A的实例中，阴极由式(Pr0.5Nd0.5)2NiO4的组合物形成，不含任何GDC。相反，在图7B的实例中，阴极由式(Pr0.5Nd0.5)2NiO4-30％GDC20的组合物形成。如图所示，与图7A的示例性阴极相比，图7B的示例性阴极显示出精细的微结构和更好的对于阴极阻挡层的粘附性。
图8是说明具有以下不同的示例性阴极的阴极非对称纽扣电池(阳极侧具有相同的材料)的短期耐久性测试结果的图：1)(Pr0.5Nd0.5)2NiO4(“PNN5050”)；2)(Pr0.5Nd0.5)2NiO4-30wt％GDC10(“PNN5050-30％GDC10”)；和3)(Pr0.5Nd0.5)2NiO4-15％(Pr0.24Nd0.21)Ce0.55O2(“PNN5050-30％PNDC2421”)。在此图中，电池ASR被定义为(ASR阳极+ASR阴极+ASR电解质)/2。这些纽扣电池包括GDC10作为阴极阻挡层和LNF作为阴极集电器。如图中所示，可以看出，电池降解速率从PNN5050镍酸盐阴极的约0.3ohm-cm2/1000hr降低至PNN5050-30％GDC10的约0.1ohm-cm2/1000hr，然后至PNN5050-30％PNDC2421的约0.03ohm-cm2/1000hr，其还具有较低的ASR。如前面段落中所讨论的，当阴极组合物从(Pr0.5Nd0.5)2NiO4(“PNN5050”)变为(Pr0.5Nd0.5)2NiO4–离子复合阴极时，显著减少了不期望的第三相(比较图3B和图4B)。当阴极组合物从(Pr0.5Nd0.5)2NiO4-GDC10变为(Pr0.5Nd0.5)2NiO4-15％(Pr0.24Nd0.21)Ce0.55O2复合相时，相构成在老化后进一步改善并且消除了第三不期望的相。虽然不希望被理论束缚，但我们相信第三不期望的相可以引起阴极微结构改变(其减少三相边界)和局部区域中的阴极脱附。这些变化可以增加电池ASR(电池ASR包括阴极和阳极极化，以及电解质欧姆电阻)。测试结果与此分析一致。
图9是在约880摄氏度、湿空气和重整燃料下使用具有串联分段电池设计的模型(subscale)电池(将活性电池印刷在多孔基底上)的镍酸盐复合阴极((Pr0.5Nd0.5)4Ni3O10(PN4N3)-15wt％GDC10和PNN5050-15wt％GDC10)的长期耐久性测试结果的图。在约2,200小时的操作之后，电池ASR为约0.2ohm-cm2，降解速率对于(PN4N3)-15wt％GDC10阴极为约0.02ohm-cm2/1000hr且对于PNN5050-15wt％GDC10阴极为约0.013ohm-cm2/1000hr。
图10是在约860摄氏度、湿空气和重整燃料下使用具有串联分段电池设计的模型电池(将活性电池印刷在多孔基底上)的镍酸盐复合阴极PNN5050-30wt％GDC10的长期耐久性测试结果的图。在约6,600小时的操作之后，电池ASR为约0.22ohm-cm2，且降解速率为约0.007ohm-cm2/1000hr。
图11是示出使用阴极对称纽扣电池(对于钮扣电池，电解质较厚，为约100微米；与之相比，串联分段的电池设计为约10微米)，在14％O2-3％蒸汽和1巴下测试的具有阴极阻挡层的各种镍酸盐复合阴极的阴极极化(Rp)的柱状图。对于一些具有30wt％离子相的镍酸盐复合阴极，极化在约790至约870摄氏度为约0.02ohm-cm2或更低。
已经描述了本发明的各种实施方案。这些和其他实施方案落入以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种燃料电池，包括：
阳极；
电解质；
阴极阻挡层；和
通过所述阴极阻挡层与所述电解质隔开的镍酸盐复合阴极；和
阴极集电器层，
其中所述镍酸盐复合阴极包含镍酸盐化合物和离子导电材料，
其中所述镍酸盐化合物包含以下至少一种：
Pr2NiO4，
Nd2NiO4，
(PruNdv)2NiO4，
(PruNdv)3Ni2O7，
(PruNdv)4Ni3O10，或
(PruNdvMw)2NiO4，其中M是掺杂在Pr和Nd的A位上的碱土金属，
其中所述离子导电材料包含通式为(AxBy)Ce1-x-yO2的第一共掺杂的氧化铈，其中所述第一共掺杂的氧化铈的A和B是稀土金属，
其中阴极阻挡层包含通式为(AxBy)Ce1-x-yO2的第二共掺杂的氧化铈，其中所述第二共掺杂的氧化铈的A或B的至少一个是Pr或Nd，和
其中所述阳极、阴极阻挡层、镍酸盐复合阴极、阴极集电器层和电解质被配置为形成电化学电池。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述阴极阻挡层被配置为防止所述镍酸盐复合阴极与电解质之间的材料扩散并且增加所述镍酸盐复合阴极的相稳定性。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述离子导电材料是含Pr的共掺杂的氧化铈，(PrxBy)Ce1-x-yO2，其中B是稀土金属，例如La、Gd、Sm、Nd、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述离子导电材料是含Nd的共掺杂的氧化铈，(NdxBy)Ce1-xO2，其中B是稀土金属，例如La、Gd、Sm、Pr、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中离子导电材料是Pr和Nd共掺杂的氧化铈，(PrxNdy)Ce1-x-yO2。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其中在大约790摄氏度或更高的温度下操作大约100小时后，所述镍酸盐复合阴极基本上不含由所述镍酸盐化合物溶出的A位元素和/或B位元素形成的氧化物。
7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中在大约790摄氏度或更高的温度下操作大约100至2000小时后，所述镍酸盐复合阴极在所述离子导电材料的相中包括从所述镍酸盐扩散的溶出物。
8.根据权利要求1所述的燃料电池，其中在大约860摄氏度的温度下操作大约6600小时后，包含所述镍酸盐复合阴极的电池表现出大约0.22ohm-cm2或更低的面积比电阻(ASR)。
9.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述阴极阻挡层被配置为防止所述电解质和所述镍酸盐化合物之间的形成锆酸盐相的化学相互作用。
10.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述阴极阻挡层被配置为控制来自所述镍酸盐化合物的稀土金属氧化物的溶出，管理所述镍酸盐复合阴极中的相构成并保持期望的相以降低降解速率。
11.根据权利要求10所述的燃料电池，其中所述阴极阻挡层是含Pr的共掺杂的氧化铈，(PrxBy)Ce1-x-yO2，其中B是稀土金属，例如La、Gd、Sm、Nd、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等。
12.根据权利要求10所述的燃料电池，其中所述阴极阻挡层是含Nd的共掺杂的氧化铈，(NdxBy)Ce1-xO2，其中B是稀土金属，例如La、Gd、Sm、Pr、Tb、Dy、Yb、Y、Ho、Er等。
13.根据权利要求10所述的燃料电池，其中所述阴极阻挡层是Pr和Nd共掺杂的氧化铈，(PrxNdy)Ce1-x-yO2。
14.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述镍酸盐复合阴极表现出大约3微米至大约30微米的厚度。
15.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述燃料电池被配置为串联分段电池模式、管状电池、阳极支撑平面电池或电解质支撑平面电池中的任一种。
16.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述阴极集电器包括与所述镍酸盐复合阴极为化学相容的导电陶瓷。
17.根据权利要求12所述的燃料电池，其中所述阴极集电器包括镧镍铁氧体(La(NiFe)O3-δ)或镧锶钴酸盐((LaSr)CoO3-δ)中的至少一种。
18.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述镍酸盐复合阴极由或基本上由所述镍酸盐化合物和离子导电材料组成。
19.根据权利要求1所述的燃料电池，其中0<x<0.5且0≤y<0.5。
20.一种用于制造燃料电池的方法，所述燃料电池包括阳极；电解质；阴极阻挡层；通过所述阴极阻挡层与所述电解质隔开的镍酸盐复合阴极；以及阴极集电器层，所述方法包括：
在所述电解质上形成所述阴极阻挡层；和
在所述阴极阻挡层上形成所述镍酸盐复合阴极；
其中所述镍酸盐复合阴极包含镍酸盐化合物和离子导电材料，
其中所述镍酸盐化合物包含以下至少一种：
Pr2NiO4，
Nd2NiO4，
(PruNdv)2NiO4，
(PruNdv)3Ni2O7，
(PruNdv)4Ni3O10，或
(PruNdvMw)2NiO4，其中M是掺杂在Pr和Nd的A位上的碱土金属，
其中所述离子导电材料包含通式为(AxBy)Ce1-x-yO2的第一共掺杂的氧化铈，其中所述第一共掺杂的氧化铈的A和B是稀土金属，
其中阴极阻挡层包含通式为(AxBy)Ce1-x-yO2的第二共掺杂的氧化铈，其中所述第二共掺杂的氧化铈的A或B的至少一个是Pr或Nd，和
其中所述阳极、阴极阻挡层、镍酸盐复合阴极、阴极集电器层和电解质被配置为形成电化学电池。
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