金属支撑SOFC多孔复合电极化学浸渗制备及性能研究

针对新型金属支撑固体氧化物燃料电池(SOFC)在制备和运行中的阳极粗化和金属原子界面互扩散等科学问题，本项目拟采用流延成型和高温共烧结技术制备多孔合金衬底和致密电解质复合膜，利用湿化学浸渗技术低温沉积电极活性材料，系统研究多孔膜和复合电极微结构形成的科学机制，实现多孔复合电极的形貌和微结构的可控制备。分别构造对称阳极电池和对称阴极电池，通过交流阻抗谱研究电极在不同温度和气氛下的界面极化行为及长期演变；研究电池中低温运行时的电化学性能和稳定性，深入分析电池内各类极化损失，考察电极微结构的长期演变以及在快速热循环过程中的变化。阐明多孔复合电极的制备参数、微结构特征、和电化学催化活性之间的内在关联与科学规律，揭示电池电化学性能稳定性与微结构演变之间的联系。这对于丰富和完善高性能SOFC电极的结构设计理论，促进金属支撑SOFC的技术进步和市场应用具有重要的意义。

新型金属支撑固体氧化物燃料电池(MS-SOFC)可以显著降低SOFC的成本，提高其机械强度、抗热震性等。但MS-SOFC在制备和运行过程中存在支撑体与阳极间元素互扩散、阴极与电解质之间结合差等问题。本项目采用“流延-烧结-浸渗”的工艺，通过电极“微-纳”结构的构筑来解决上述技术难题，提高MS-SOFC的电化学性能和长期稳定性。此外，本项目还对MS-SOFC的电极反应动力学、电极构效关系和电池衰减机制进行了研究，主要研究内容和结果包括：.1、采用浸渗工艺制备了La0.6Sr0.4Fe0.9Sc0.1O3-δ(LSFSc)-YSZ阴极和Ni-Ce0.8Sm0.2O2-δ¬(SDC)阳极，制得MS-SOFC在800 oC的MPD为1.22 W cm-2。电池在650 ºC经历1500 h的稳定性后的衰减率仅仅为1.3% kh−1。阳极形貌的改变是电池性能衰减的主要原因。 .2、为提高MS-SOFC在低温区(＜600 oC)的性能，采用浸渗工艺制备了SmBa0.5Sr0.5Co2.0 O5+δ (SBSC)-SSZ阴极，在700 oC的极化阻抗值仅为0.054 Ω cm2，“Ni-SDC-430L/SSZ/SBSC-SSZ”构型的MS-SOFC在700 ºC的MPD为1.21 W cm-2。电池在550 oC工作310 h，性能没有衰减。.3、进一步将多孔430L应用于电池阴极骨架，制备了“电极材料-多孔430L/SSZ/电极材料-多孔430L”对称构型的MS-SOFC。SBSC-430L阴极在550 oC的极化阻抗值为0.185 Ω cm2。500 oC，300 h的稳定性测试表明，该阴极的极化阻抗值保持稳定。动力学研究表明，阴极中高频阻抗与氧离子从TPB处向电解质内的扩散(伴随着电荷的转移)过程有关而低频弧与吸收氧的离子化过程有关。“Ni-SDC-430L/SSZ/SBSC-430L”构型的MS-SOFC在500和600 ºC的MPD分别为0.27和1.02 W cm-2。电池在500 oC工作60 h，性能没有衰减。 .4、采用“流延-烧结”技术实现了纽扣型MS-SOFC的小批量制备，平板型电池素坯的尺寸达到10×10 cm，烧结体尺寸达到5×5 cm，管式电池的长度为8-10 cm，管径为0.3-1 cm。