固体氧化物燃料电池阴极纳米功能层的构建及其抗Cr毒化机理研究

Solid Oxide Fuel Cell is an environmental friendly energy conversion device with high efficiency. However, the Chromium poisoning cathode effect could reduce the activity of cathode and lead to dramatically degradation of SOFC stacks, it is one of the biggest obstacles for the industrialization of SOFC. In this study, the atom layer deposition technique is employed to deposit cathode nanoscale functional layer on the top of LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ(LSCF) or SmxSr1-xCoO3-δ (SSC) cathode which are excellent but vulnerable to the Cr poisoning. The cathode nanoscale functional layer could be used to reduce the cathode Cr poisoning effect on the basis of stabilizing the performance of cathode. The long-term electrochemical performance of cathode before and after Cr poisoning test, the corresponding elemental analysis and morphological observation are used to determine the stabilization and anti-Cr poisoning effect of nanoscale functional layer. Combined the DRT simulation, the relationship between the material, thickness of nanoscale functional layer and ORR activity, anti-Cr poisoning ability of cathode was studied. The mechanism of the anti-Cr poisoning effect of cathode nanoscale functional layer is summarized. This study could provide theoretical basis for the design of new cathode nanoscale functional layer, which is of great value for improving the long-term stability of SOFC.

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效节能环保的能量转换装置，而金属连接体中Cr对阴极的毒化效应会降低阴极活性，造成电堆性能的急剧衰减，是SOFC产业化的最大阻碍之一。本项目采用原子层沉积技术（ALD）对阴极进行表面改性，在性能优异却容易受Cr毒化的阴极LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ（LSCF）或SmxSr1-xCoO3-δ (SSC)上，构建阴极纳米功能层，在保证阴极氧还原反应活性的前提下达到抗Cr毒化的目的；通过长时间电化学测试、Cr毒化测试、元素分析和形貌观察判断纳米功能层对阴极的稳定化作用以及抗Cr毒化效果；结合实验结果和模拟计算，探究纳米功能层组成材料、厚度、抗Cr毒化能力之间的关系，对SOFC纳米功能层抗Cr毒化阴极的机理进行归纳和总结。项目的实施为新型阴极纳米功能层的设计提供理论基础，对于提高SOFC长期运行稳定性有重要价值。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是高效、清洁的电化学发电装置，金属连接体是SOFC电堆的重要部件之一。常用的Fe-Cr基连接体合金将出现高温Cr挥发现象，并导致电池阴极毒化和性能衰减。在本项目中，对常用的LSCF进行Cr毒化的机理分析为基础，分析阴极本身结构和SOFC运行温度的不同对LSCF阴极的Cr毒化情况，推导出其毒化机理；同时，调控原子层沉积技术的各项指标，如沉积时间，前驱体的种类和前驱体的浓度，精准控制原子层沉积薄膜的厚度，同时对其在Cr毒化测试中的性能进行评估；在项目研究中，开发了新型的材料制备方法，并用此合成了高性能的电解质和双钙钛矿材料。通过对连接体合金中Cr毒化阴极现象的综合研究。得到如下有意义的研究成果：.（1）通过调控LSCF的结构，得到疏密程度不同的LSCF阴极，并对不同结构的LSCF阴极进行Cr毒化测试，得出LSCF表面越稀疏，毒化越强烈。.（2）通过对LSCF阴极进行不同温度下测试发现，随着测试温度的升高，LSCF阴极的Cr毒化程度呈现先增长后降低的趋势，这是由于Cr沉积物是Cr在阴极表面的沉积反应与氧还原反应的竞争反应，在温度更高的情况下，氧还原反应更占有优势；.（3）使用原子层沉积技术构筑的V2O5涂层，在阴极表面形成原位保护层，并对电池进行电化学毒化测试，测试结果显示，合适的厚度的ALD涂层可以显著提高阴极的抗Cr毒化能力；.（4）开发了创新性的电池材料合成方法，可以在更短的时间内，更方便的合成SOFC电解质材料和双钙钛矿型的电极材料，并且该材料具备优异的性能。