质子导体固体氧化物燃料电池中电极-电解质界面的空间电荷层对电池电化学性能的影响

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are energy conversion devices with high efficiency and various environmental advantages. Over the last decades, for further lowering the operating temperature and improving the long-term stability of SOFCs, there is an increasing interest in utilizing a proton conducting oxide as electrolyte in proton ceramic fuel cells (PCFCs). In the present study, we focus on the performance of proton transport at the electrode/electrolyte interface in PCFCs, consisting of a positively charged core and an adjacent space charge layer (SCL).with low concentration of protons. The SCL effect on the kinetics of hydrogen oxidation and oxygen reduction reactions will be systematically studied under various atmospheric and electrochemical conditions. An core-space-charge layer model will be established to describe the relationship among oxygen vacancies (or protons), dopant and electrical potential at the electrode/electrolyte interface. Based on the above in-depth understanding on the SCL effect, several approaches to adjust the extent of oxygen vacancies segregation at the interface will be developed, contributing to lowering the SCL resistance and thus improving the performance of proton transport at the electrode/electrolyte interface in PCFCs.

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有高的能量转化效率和低的污染排放,是目前最有前景的分布式电源之一。其中,以质子导体作为电解质的固体氧化物燃料电池(H-SOFC)由于具有较低的运行温度、高性能稳定性、高燃料利用率而备受关注。然而, 与氧离子导体固体氧化物燃料电池(O-SOFC)相比，H-SOFC的性能偏低，其功率密度的实验与理论预测值之间存在较大差距。针对这个问题，本项目将主要围绕H-SOFC中质子在电极/电解质界面的缓慢传输过程展开基础研究，从空间电荷层的角度去认识界面的缺陷结构和电化学性能，弄清界面空间电荷层对电极电化学反应速率的影响。探索界面空间电荷层区域内氧空位浓度、金属杂质缺陷浓度、界面电势之间的内在联系，揭示影响界面空间电荷层电阻的本质原因。在此基础上，探寻调控界面氧空位或质子浓度的有效途径，降低界面电势和空间电荷层电阻，为进一步优化H-SOFC的性能提供科学依据和指导。

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有高的能量转化效率和低的污染排放,是目前最有前景的分布式电源之一。其中,以质子导体作为电解质的固体氧化物燃料电池(H-SOFC)由于具有较低的运行温度、高性能稳定性、高燃料利用率而备受关注。然而, 与氧离子导体固体氧化物燃料电池(O-SOFC)相比，H-SOFC的性能偏低，其功率密度的实验与理论预测值之间存在较大差距。针对这个问题，本项目将主要围绕H-SOFC中质子在电极/电解质界面的缓慢传输过程展开基础研究，从空间电荷层的角度去认识界面的缺陷结构和电化学性能，并发现H-SOFC中电极/电解质(BaZr0.9Y0.1O3-δ, BZY10)界面空间电荷层对其电极反应速率具有显著影响。对于金属阳极/BZY10界面的氢气氧化反应，界面空间电荷层会导致质子迁移通过空间电荷层的电阻(RSCL)和增加电子电荷转移电阻(RECT)。在高正偏压下(0.2-0.3 V)下，界面空间电荷层对氢气氧化反应中电子电荷转移过程有着较大的影响，由其引发的电阻值占据整个氢气氧化反应电阻的50%。通过建立界面空间电荷层模型，发现界面电势Δφ(x)是影响界面空间电荷层电阻的重要参数，且可通过调节或引入带电杂质缺陷来降低其数值。对BZY10陶瓷样品表面进行高温预处理可以改变YZr(-) 在其次表面的富集程度。当预处理温度为1500℃时，次表面富集的YZr(-) 通过与表面氧空位的静电作用，减弱了界面电势Δφ(x)，使得RECT和RSCL大幅度降低, 电极反应速率大幅度提高。以上研究揭示了影响H-SOFC性能的主要因素，即电极/电解质界面空间电荷层效应，为进一步优化H-SOFC的性能提供科学依据和指导。