封接玻璃引发固体氧化物燃料电池（SOFC）阴极中毒的机理研究及其强磁场调控

The cathode poisoning contributes to the degradation of Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). To solve the cathode poisoning induced by sealing glass, we will apply high-field solid state NMR technique to investigate the structural change of sealing glass. The coordination environment of boron atom will be studied by 11B MAS NMR, which provides the quantitative information on the change of boron content before and after cathode poisoning. The different oxygen atoms, e.g., bridging oxygen and non-bridging oxygen will be analyzed by high-field 17O MAS NMR, in order to quantitatively evaluate the network connectivity of glass. The local environment between boron and silicon atoms will be revealed by 2D 11B and 17O DQ-MAS NMR; as well as synchrotron radiation techniques, which can be related to the phase separation between boron and silicon atoms in glass. Combined with the structural change of glass, the boron volatility from sealing glass measured under SOFC operational environment will be useful for understanding the coherent effect of B-Si phase separation and network connectivity on the thermal stability of sealing glass. The in-situ study on the degradation of cathode performance will also be performed to clarify the relationship between the structure of sealing glass and the cathode poisoning. This work provides a new approach to reduce the poisoning of SOFC cathode and thus improves the stability of SOFC system.

阴极中毒是固体氧化物燃料电池（SOFC）性能衰减的重要原因。本项目从封接玻璃引发SOFC阴极中毒的应用难题出发，通过高场固体NMR研究阴极中毒前后封接玻璃微结构的变化：（1）11B多量子魔角旋转技术研究硼原子的配位环境变化，定量分析SOFC运行过程中硼原子的含量变化；（2）高场17O多量子魔角旋转技术区分不同的氧位点（桥氧和非桥氧），定量分析玻璃的网络连接度；二维11B和17O同核双量子结合同步辐射技术研究硼、硅原子的局域结构变化，定量评价玻璃网络的B-Si相分离。研究封接玻璃在SOFC运行环境中含硼物质的挥发，结合封接玻璃微结构的变化，阐明B-Si相分离与网络连接度对封接玻璃热稳定性的耦合作用机制；原位研究SOFC阴极的性能衰减，结合封接玻璃的微结构和热稳定性的变化规律，获得封接玻璃的微结构与SOFC阴极中毒的相关性规律，探索通过强磁场调控封接玻璃的微结构改善SOFC阴极中毒的新途径。

固体氧化物燃料电池（ SOFC）由于在高温运行环境下具有发电效率高、材料成本低等优点， 被认为是21 世纪最为重要的新能源技术之一。然而， 燃料电池部件（ 阴极、阳极、电解质和连接体材料）在高温运行下的老化、封接失效问题、气体中杂质（ 如玻璃中挥发的硼物质）引起的电极性能衰减成为制约SOFC 发展的瓶颈。由于高场强元素可以增强玻璃的整体网络结构从而提高玻璃热稳定性，而过渡金属元素则有利于玻璃中[BO4 ]的形成，提高玻璃B-O 网络的稳定性。因此，本论文在硼硅酸盐玻璃基础上，通过添加不同含量的高场强元素（ Gd、Sn）及过渡金属元素（ Ni、Fe）氧化物，并利用半电池和全电池测试技术，研究了玻璃结构与阴极硼中毒的关系。同时探索了封接玻璃与含Cr不锈钢连接体、电解质界面反应的影响因素，揭示了封接玻璃结构与玻璃电导率及热性能的调控规律，为封接玻璃的设计与性能的提高起到指导作用。