缺陷型铁酸镧基固体氧化物燃料电池阴极材料的耐硫性及其反应机制研究

For solid oxide fuel cell (SOFC)，the small amount of sulfur dioxide in air can degrade the cell/stack performance, shortening then the cell/stack lifetime. In this work, we have investigated sulfur poisoning of Sr and Co doped LaFeO3 based oxide (LSCF), which is commercial cathode material. It is expected that Sr activity in LSCF is influenced by introducing defect structure and composition change, thereafter suppress the sulfur poisoning behavior. The effect of defect concentration and composition change on the sulfur poisoning mechanism of LSCF is investigated using half-cell measurement to simulate the SOFC operation condition. Here，the SO2-air mixture with a little higher SO2 concentration than that in air is used to accelerate performance degradation, thus shorten the experimental period. Combined with thermodynamic calculation results, it is hope to achieve the cathode material with high performance and good sulfur tolerance. In additional, in order to clarify sulfur poisoning mechanism of cathode material under SOFC operation condition, the effect of current density on the sulfur poisoning behavior of LSCF is investigated using half-cell method. Our results will supply important information to resolve the sulfur poisoning of cathode material.

固体氧化物燃料电池（SOFC）在长期高温运行中，氧化物阴极材料在含微量SO2的空气中产生硫中毒，引起电池性能衰减，导致电池使用寿命缩短。本课题以商用的Sr和Co掺杂的LaFeO3基阴极材料（LSCF）为研究对象，提出引入缺陷结构和改变组分来调节LSCF阴极材料中Sr的活性，从而抑制阴极材料的硫中毒问题。通过半电池测试法来模拟SOFC实际运行状态，同时结合加速性能衰减法来对材料的耐硫性进行研究，阐明缺陷浓度和组分变化对LSCF阴极材料耐硫性的影响机制，明确LSCF阴极材料的耐硫性和电学性能最优化组分，探讨缺陷型LSCF作为高耐硫性阴极材料的可行性，开发高性能且高耐硫性的阴极材料。此外，探讨电流改变的条件下，LSCF阴极材料的硫中毒反应过程，明确电流存在及变化对材料硫中毒的影响，结合热力学计算结果，阐明SOFC运行过程中阴极材料硫中毒的反应机制，为SOFC阴极硫中毒问题的解决提供重要的信息。

固体氧化物燃料电池（SOFC）的阴极材料高温条件下容易和空气中低浓度（ppm级别）SO2发生化学反应，产生硫中毒现象，导致电池性能衰减。本工作主要聚焦铁酸镧基SOFC阴极材料，研究了A位缺陷及电流变化对其耐硫性的影响，研究发现，A位缺陷对铁钴酸镧锶（La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ）的硫中毒现象具有明显的抑制作用。随着电流的增大，Sr更容易与SO2发生化学反应，有利于SrSO4的生成。在此基础上，拓展研究了不含Sr元素的铁酸镧基阴极材料(La, Ni)FeO3的硫中毒现象。结果显示，虽然La(Ni, Fe)O3中不含有Sr元素，但是A位La元素依旧会与SO2发生反应，生成La2O2SO4，导致该材料氧表面交换系数的降低。此外，由于阴极材料的耐硫性会随着电解质材料的不同而发生变化，我们制备了不同的氧化物基板，发现铁酸镧基阴极材料耐硫性会随着氧化物基板的改变而改变。.我们的研究结果显示含有La，Sr元素的钙钛矿结构的阴极材料，都容易和空气中的SO2发生化学反应，但是缺陷型材料的设计对于阴极材料耐硫性具有显著的提高作用。同时电解质的不同，对于阴极材料的耐硫性也具有显著的影响。我们的结果为深入理解SOFC实际运行过程中材料硫中毒的反应机制，为SOFC阴极材料硫中毒问题的有效解决提供必要的信息。可完善ABO3型钙钛矿阴极材料耐硫性的影响规律探索，有望开发高电学性能、高耐硫性阴极材料。为解决SOFC运行中硫中毒引起的性能衰减提供重要的情报，促进SOFC实用化和产业化的进程。