BaZrO3基质子导体固体氧化物燃料电池阴极的设计与研究

Proton-conducting solid oxide fuel cells (SOFCs) which can directly convert chemical energy to electricity receive many attentions due to their high efficiency, low pollution and low temperature operations. BaZrO3-based material is regarded as the most promising electrolyte for proton-conducting SOFCs because of its excellent chemical stability. However, the development of proton-conducting SOFCs with BaZrO3-based electrolyte is hindered by its relatively low fuel cell performance that is resulted from its poor cathode performance for BaZrO3-based cells. This project aims to solve this problem by using the nanostructure cathode design and the cathode/electrolyte interfacial modification to extend the triple phase boundary (TPB) at the cathode that could improve the cathode performance as well as the performance for the proton-conducting SOFCs with BaZrO3-based electrolyte. The influence of microstructure, material composition and ionic transportation ability of the cathode and the interface will be intensively investigated, providing a reliable solution and technology for the development of high performance BaZrO3-based cells. In addition, the cathode reaction mechanism will be studied with the employment of proper electrochemical models for cathode reactions for the BaZrO3-based cells. A further degradation mechanism study will be performed on the cathode by taking the long-term tests under the cathode working condition, coupled with the material analysis before and after the tests. These mechanism studies provide a theoretical guidance for the design and development of cathodes for BaZrO3-based SOFCs, accelerating its practical applications.

质子导体固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种能将化学能直接转化为电能的装置，以其高效、清洁和低温操作等优点受到广泛青睐。BaZrO3基质子导体因其良好的化学稳定性被认为是质子导体SOFC最具应用潜力的电解质材料。当前BaZrO3基质子导体SOFC发展的瓶颈是电池输出功率较低，这主要是由较差的阴极性能导致的。为此，本项目通过阴极结构纳米化和阴极/电解质界面改性来增加BaZrO3基质子导体SOFC的阴极三相界面，从而改善阴极以及电池的性能。着重讨论阴极以及界面的微观结构、材料组成以及输运能力对阴极及电池性能的影响，为发展高性能BaZrO3基质子导体SOFC提供可靠的方法和技术基础。通过建立电化学模型，系统研究其阴极的反应机理；通过电池长期稳定性的研究并结合材料分析分段，探讨阴极性能衰减的机制，为设计开发BaZrO3基质子导体SOFC的阴极提供理论支撑，促进其应用和发展。

能源与环境问题是当今世界面临的重大挑战，而固体氧化物燃料电池可以高效地将化学能转化为电能，为解决这一问题提供了一种解决方案。其中，质子导体固体氧化物燃料电池以其较低的工作温度成为固体氧化物燃料电池发展中的一个重要分支。然而质子导体固体氧化物燃料电池，特别是BaZrO3基质子导体固体氧化物燃料电池的输出功率受其阴极材料的制约而比较低，需要进一步提高以增强其在领域内的竞争力。本项目针对这一关键问题进行研究，主要研究内容和成果包括：（1）通过阴极材料纳米化的方法，成功地将传统阴极材料应用于BaZrO3基质子导体固体氧化物燃料电池，扩展阴极反应的三相界面，从而极大地提高电池性能；（2）调节阴极纳米颗粒的载流子，运用混合导体材料对阴极/电解质界面进行修饰，进一步提高电池性能，使得BaZrO3基质子导体固体氧化物燃料电池的最大输出功率在600度时达到650 mW cm-2，为当时报道时的最高值；（3）通过研究阴极反应机理，调节阴极材料中载流子的种类使其符合质子导体固体氧化物燃料电池的应用要求，促使阴极反应区域得到扩展，从而降低阴极的极化电阻并提高电池功率。进一步通过理论结合实验的方法，研究阴极的传导机理并对其在工作条件下的长期稳定性进行研究；（4）通过界面调节，提高阴极/电解质界面的性能，进一步提高电池的输出功率。通过对比项目申报书，本项目完成了项目要求的内容，制备出高性能的质子导体固体氧化物燃料电池的阴极以及相应的微观结构，并进行理论研究探讨其反应机理以及长期工作状态下的衰减问题，为其进一步的设计提供理论支撑。同时，制备出来的电池具有较好的输出功率，促进质子导体固体氧化物燃料电池的发展。相应的研究成果共发表高水平SCI论文18篇，并申报专利1项。