SOFC电极和连接体间界面材料设计与调控的原位研究

The performance of solid oxide fuel cells (SOFCs) can be improved greatly by adding contact materials between electrodes and interconnects. However, the improvement of stack performance and its application are restricted due to lacking the research of impactor on interfacial contact, and its affecting mechanism, resulting in blindness of contact design during SOFC development. In this project, the morphology,conductivity, surface roughness of contact materials marching with its neighboring components, and interfacial binding force between contact materials and its neighboring components on stack performance are investigated. In addition, specifal contact method is designed and ultra-thin voltage leads is embeded on the surface between elctrodes and interconnects to investigated the properties of electric transfer at interface on cathode side, and the effect of contact materials on electric transfer is discussed. Based on the above research, the factors on designing interfacial contact between electrodes and its neighboring interconnects are summarized and put forward. And the mechanism of contact materials on regulating interfacial contact is clarified, thus providing the theoretical guidance and experimental evidence for designing, selection and addition of CCCL, controlling interfacial contact and improvement of SOFC output performance.

通过在SOFC电极和连接体界面处添加界面材料，能够显著提升SOFC电池输出性能，然而对其提升的作用规律和机理尚有待研究。本项目拟从起调控作用的界面材料特性及其与邻近部件间的相互作用角度出发，在实际大尺寸电堆及其实际运行环境下，原位研究界面材料结构、电导率及其与邻近部件间的表观形貌粗糙匹配度和界面结合力对电池输出性能的影响规律。在此基础上，通过设计体电导率一致而表面电导率不同的界面接触方法，并在界面处埋入超薄电压引线，对电池阴极与连接体间界面处的电子传递特性与规律展开研究，分析界面材料特性对界面处电子传输路径的作用规律及其由此产生的对电池输出性能的影响。据此，总结并提出电极与连接体间界面材料的设计方法，阐明界面材料影响电池输出性能的作用机理，进而为实现界面调控、改善电池输出性能提供理论指导、技术方案与实验依据。

SOFC是一种高效的发电装置，电池阴极与连接体间的界面对SOFC性能瞬时输出与长期运行稳定性具有重要的作用。然而，SOFC界面材料在连接体与电池电极间界面处的作用规律与机理有待深入研究。研究者往往在高电导率界面材料研发的同时忽略了其作用的背后本质，这使得在SOFC研发过程中，应用材料实现界面设计充满了盲目性。.本项目通过对LSCF界面材料的结构、电导率及其与邻近部件间的表观粗糙匹配度和界面结合力影响电池输出性能的规律，以及电池阴极与连接体间界面处的电子传递特性进行研究，探讨集流层材料特性对界面处电子传输路径的作用规律及其由此产生的对电池性能的影响，据此总结提出通过设计与添加界面材料实现界面调控的因素，阐明了界面材料调控界面的作用机理。.通过本项目研究：.（1）通过LSM中掺入Al2O3开展研究，发现粘结性能较电子收集材料自身电导率的影响更大。LSM电子收集材料中掺入粘结剂Al2O3，增强了LSM电子收集材料与阴极和连接板的粘结性，减小了因界面破坏而造成的衰减。.（2）通过对比电池单元测试后阴极与连接板接触界面的表面情况，结果显示，测试后电池单元的阴极电子收集材料表面最粗糙，实际接触面积更大，性能更为优异。.（3）通过设计界面的电子收集图案，发现电子收集表面全部涂覆Ag浆的电堆单元具有更高的功率密度，且凸台宽度越小，输出功率密度越大，分析显示电子收集密度越大，横向电子收集越容易，因此电输出性能越高。.（4）通过不同位置和不同接触方式的设计研究，结果显示阴极集流层改进后，不仅使得界面接触电阻降低，同时进一步大幅度提高了电池本身的总体性能。采用颗粒粗大用于等离子喷涂的球形LSM粉体喷涂电池阴极集流层后，连接板易于进入集流层内部，电池输出性能大幅度提高。.（5）培养了硕士研究生3名（2016界毕业生王秀丹，2017界毕业生卜瑶、吴傲路），发表了学术论文12篇（其中9篇SCI），申报专利2件。