LaNi{{0}}.6Fe0.4O3 Materiał styku katody: Manipulacja właściwościami przewodzącymi prąd elektryczny i jej wpływ na wydajność elektrochemiczną SOFC
ZHANG Kun, WANG Yu, ZHU Tenglong, SUN Kaihua, HAN Minfang, ZHONG Qin. LaNi{{0}}.6Fe0.4O3 Materiał styku katody: Manipulacja właściwościami przewodzącymi prąd elektryczny i jej wpływ na wydajność elektrochemiczną SOFC [J]. Journal of Inorganic Materials, DOI: 10.15541/jim20230353.
Schemat ideowy interfejsu styku katody i złącza wzajemnego
Podczas procesu montażu płaskiego stosu ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC) bezpośredni kontakt między katodą ceramiczną a metalowym złączem jest słaby, a naprężenia duże. Łatwo jest wytworzyć dużą rezystancję styku interfejsu, co z kolei wpływa na wydajność i stabilność stosu. Zwykle między katodą a złączem dodaje się warstwę stykową katody, aby poprawić kontakt interfejsu. LaNi{{0}}.6Fe0.4O3 (LNF) ma zalety wysokiej przewodności elektrycznej i dopasowanego współczynnika rozszerzalności cieplnej do materiałów katody i złącza. Jest to szeroko stosowany materiał warstwy kontaktowej w płaskich płytach SOFC. Jednakże podczas długotrwałej pracy stosu w LNF zachodzą zjawiska takie jak zgrubienie cząstek i znaczne zmiany rezystancji powierzchniowej, co prowadzi do uszkodzenia powierzchni stykowej i tym samym wpływa na wydajność stosu. Grupa badawcza Zhu Tenglonga na Uniwersytecie Naukowo-Technologicznym w Nanjing zastosowała dwie metody, granulację poprzez prasowanie na sucho i spiekanie w wysokiej temperaturze, w celu przygotowania materiałów LNF o dużych cząstkach oraz zbadała ewolucję rezystancji powierzchniowej pod bieżącym obciążeniem i jej wpływ na właściwości elektrochemiczne SOFC pojedyncze komórki.
Ewolucja ASR LNF w funkcji czasu poniżej 750 stopni i 1 A/cm2, obrazy SEM LNF przed i po teście ASR(a) Wstępne; (b) Po teście
Badania wskazują. W porównaniu z nieobrobionym LNF-1, LNF-2 i LNF-3, które zostały poddane granulacji poprzez prasowanie na sucho i spiekaniu w wysokiej temperaturze, mają niższy początkowy opór powierzchniowy. Rozmiar cząstek LNF o małej wielkości cząstek znacznie wzrośnie pod bieżącym obciążeniem. Chociaż LNF-2 granulowany przez prasowanie na sucho ma większy rozmiar cząstek, zachowuje lepszą aktywność spiekania, więc wykazuje również bardziej oczywiste zjawisko spiekania pod bieżącym obciążeniem, co skutkuje zmniejszeniem rezystancji arkusza. LNF-3, który został poddany wstępnej obróbce polegającej na spiekaniu w wysokiej temperaturze, zasadniczo utracił swoją aktywność spiekania, a wielkość jego cząstek zmienia się nieznacznie pod wpływem prądu, więc jego rezystancja powierzchniowa pozostaje stabilna. Ponadto impedancja omowa pojedynczych ogniw LNF-2 i LNF-3 o większych rozmiarach cząstek jest mniejsza niż impedancja LNF-1, co jest związane z ich mniejszą rezystancją powierzchni styku i lepszą styk interfejsu katodowego. Jednocześnie pojedyncze ogniwa LNF-2 i LNF-3 wykazywały mniejszą rezystancję polaryzacyjną, co wskazuje, że zwiększenie rozmiaru cząstek LNF może poprawić transmisję i dyfuzję tlenu w powietrzu po stronie katody. W wielu eksperymentach z cyklami termicznymi pojedyncze ogniwo LNF-2 wykazało doskonałą początkową wydajność elektrochemiczną, ale nadal zachowało dobrą aktywność spiekania ze względu na swoją własną. Podczas długotrwałej pracy w wysokich temperaturach i wielokrotnych testów wydajności elektrochemicznej, jego cząstki są bardziej podatne na grubienie, powodując uszkodzenie porów i złuszczanie się powierzchni stykowej, co prowadzi do znacznego osłabienia wydajności pojedynczych ogniw. Natomiast materiały LNF-3, które zostały poddane wstępnej obróbce spiekania w wysokiej temperaturze, mają słabą aktywność spiekania i mogą zachować dobrą stabilność strukturalną podczas cykli termicznych w wysokiej temperaturze.
Widma EIS (a) i wykresy dopasowania DRT (b) pojedynczych ogniw pod ciśnieniem parcjalnym tlenu 2,1 × 104 i 3 × 103 Pa oraz odpowiadająca im rezystancja omowa (c) i rezystancja polaryzacyjna (d)
Najważniejsze informacje z tego artykułu:
1. W porównaniu z nieobrobionym materiałem LNF-1, kontrolowane cząstkami LNF-2 i LNF-3 mogą zmniejszyć opór arkusza. Rezystancja powierzchniowa elementu stykowego może szybko osiągnąć stan ustalony pod obciążeniem prądowym, a konstrukcja może być utrzymana stabilnie w warunkach długotrwałego obciążenia prądowego.
2. Materiał kontaktowy LNF o dużych cząstkach może zoptymalizować kontakt międzyfazowy katody, promować dyfuzję i transport tlenu po stronie katody oraz poprawić wydajność wyjściową pojedynczego ogniwa.
3. Prasowany na sucho granulowany materiał LNF nadal zachowuje pewną aktywność spiekania, co skutkuje słabą stabilnością cyklu termicznego. Wstępna obróbka spiekająca w wysokiej temperaturze może znacznie poprawić stabilność strukturalną materiałów stykowych z katodą LNF podczas cykli termicznych i procesów wyładowań.
Schematy i obrazy SEM interfejsów styków katodowych pojedynczych ogniw po cyklach termicznych
Komentarz:
1. W artykule autor bada ewolucję rezystancji powierzchniowej zespołu styku katodowego ze względu na wielkość cząstek materiału LNF i jej wpływ na parametry elektrochemiczne i stabilność pojedynczego ogniwa SOFC. Stwierdzono, że zwiększenie rozmiaru cząstek w wyniku spiekania w wysokiej temperaturze zmniejsza rezystancję arkusza zespołu styku katodowego. Rezystancja powierzchniowa elementu stykowego może szybko osiągnąć stan ustalony pod bieżącym obciążeniem, a konstrukcja może być utrzymana stabilnie w warunkach długotrwałego obciążenia prądowego, co stanowi dobry punkt odniesienia dla poprawy wydajności SOFC.
2. Badania te zorientowane są na rzeczywiste potrzeby w zakresie materiałów stykowych o niskiej rezystancji i wysokiej przewodności dla stosów ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem. Zbadano mechanizm wpływu kontroli wielkości cząstek LaNi0.6Fe0.4O3 na przewodność i wydajność pojedynczych ogniw SOFC, a także wpływ warunków pracy, takich jak zawartość tlenu w powietrzu i cykl termiczny na pojedyncze ogniwa szczegółowo przeanalizowano wydajność komórek podczas granulacji LNF przy użyciu różnych środków. Koncepcja artykułu jest stosunkowo nowa, myślenie jest jasne, zawarte w nim dane mogą dobrze uzasadnić odpowiednie zagadnienia i mają pewną wartość praktyczną. Artykuł ma przejrzystą strukturę, rozsądną logikę i ujednolicony sposób pisania.
