固体氧化物燃料电池阴极/金属连接体的界面调控及其稳定化机制研究

Solid oxide fuel cell (SOFC) is an efficient and clean device for energy conversion. The low degradation rate of the SOFC stack is the key to its commercialization. The interface stability between metallic interconnect and cell cathode is one of the most important reasons. In this project, we optimize the chemical composition and microstructure of the materials to construct flexible interface layer between metallic interconnect and cell cathode which can not only enhance the electrical contact performance, but also benefit the releasing stress, therefore, the relationship between performance and structure for cathode interface layer can be demonstrated. It is studied on the failure mode of cathode interface layer considering with the temperature field and thermal stress. For the SOFC operation environment, it will be investigated on the element diffusion mechanism between adjacent components under electrothermal cooperative affection. In order to understand the formation and evolvement of diffusion transition layer, the high-resolution electron microscope and In-situ characterization technique are applied. The effect of diffusion transition layer on bonding strength and conductivity of cathode interface can be discussed. The cathode interface layer is used as an in situ protective coating for metallic interconnects which the oxidation kinetic behaviors of interconnect alloy is investigated with current passaged. The mechanism of chromium depositing cathode interface layer should be demonstrated according to experimental results. Finally, because the relationship between structure and performance stabilization for cathode interface layer has been determined, it can be provided the theoretical basis for the development of long-term stability SOFC cathode interface layer.

固体氧化物燃料电池(SOFC)是高效、清洁的能源转换系统，降低电堆运行过程的衰减率是其实现商业化的关键，而金属连接体与电池阴极之间的界面稳定性是最重要的影响因素之一。在本项目中，通过调控阴极界面材料的化学成分与微观结构，在金属连接体与电池阴极之间构筑柔性界面层，从而实现增强界面电接触性能与应力耗散能力的目的，揭示阴极界面层在热应力作用下的失效模式。探索在SOFC工作环境中，电热协同效应对相邻界面元素扩散的作用机理，采用高分辨电镜和原位表征技术获得对扩散过渡层形成与结构演化的规律性认识，明晰其对界面结合强度和导电性能的影响机制。分析阴极界面层的形成过程与影响因素，从原位防护涂层的角度建立合金氧化动力学的机制，并理解合金中Cr挥发物沉积在阴极界面层的实验特征与作用规律。最终阐明阴极界面层的结构与其性能稳定化之间的内在联系，为形成具有长期稳定性的SOFC阴极界面层提供理论依据。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是高效、清洁的能源转换系统，而降低电堆运行过程的衰减率是实现其商业化的关键，金属连接体与电池阴极之间的界面稳定性是影响电堆性能最重要的因素之一。在本项目中，通过调控阴极界面材料的化学成分与微观结构，在金属连接体与电池阴极之间构筑了柔性界面层，提高了界面电接触性能与应力耗散能力，揭示了阴极界面层在热应力作用下的失效模式。探索了在SOFC实际工作环境中，电热协同效应对相邻界面元素扩散的作用机理，明晰了其对界面结合强度和导电性能的影响规律。从原位防护涂层的角度阐明了合金氧化动力学的机制，并揭示了合金中Cr挥发物在阴极界面层的沉积行为与作用规律，为在电堆中提供长期稳定性的阴极界面层提供了理论依据。基于以上研究得到如下创新性成果：(1)采用聚乙烯醇(PVA)法成功制备了具有良好高温电子导电性的阴极界面材料LaCo0.6Ni0.4O3-δ(LCN)陶瓷粉体，通过调控煅烧工艺得到了不同粒径与性能的粉体。(2) 通过优化LCN粉体的粒径尺寸与阴极界面层的厚度，明显改善了金属连接体Fe-16Cr合金的高温抗氧化性和高温导电性，研究结果表明粒径尺寸为200 nm和厚度为20 μm的阴极界面层在连接体合金抗氧化等方面展示了优异的性能，进一步揭示了原位LCN阴极界面层提高合金氧化抗力和高温导电性能的作用机制。(3) 研究了双气氛、电流和温度分布等因素对连接体合金高温氧化行为的影响规律；研究发现电流对连接体合金低电势侧的氧化有促进作用，对高电势侧的氧化有抑制作用，因此低电势侧的氧化层要明显厚于高电势侧。(4) 在连接体合金和阴极之间施加LCN层后，能够有效减少Cr在阴极上的沉积，同时发现LCN阴极界面层与Cr蒸气发生化学反应，通过有效消耗Cr蒸气以避免其对LSM阴极的毒化。(5)通过构建粗细粉搭配的LCN阴极界面功能层，电堆在15次冷热循环过程中的性能衰减率平均值为0.8%，实现了电堆性能与稳定性的同步提升，并从机制上阐明了阴极界面层结构对电堆热循环稳定化的关键作用。