阴极表面Ce0.8Y0.2O1.9/Ba1.0Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ多孔纳米涂层提高中温固体氧化物燃料电池性能的机理

Recently, intermediate temperature solid oxide fuel cell (IT-SOFC) is an important development direction of the efficient electrochemical energy conversion device. Under intermediate temperature, oxygen exchange process on the surface of cathode becomes the limit step for the electrochemical reaction. In this project, Ba1.0Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ（BCFN）/ Ce0.9Gd0.1O1.95（GDC） dual phase cathode material will be synthesized, then Ce0.8Y0.2O1.9（YDC）/BCFN porous nano layer will be coated on the air side of the this cathode. The effect of grain size decreasing of coating material will be studied, which contains the effect on phase composition, microstructure, oxygen ionic and electronic conductivity, surface composition and the variation of valence state, as well as the surface exchange coefficient of oxygen and the oxygen transmission property. The thermal dynamic and kinetic process of oxygen exchange on the porous nano coating surface will be analyzed to define the mechanism which improves oxygen transmission ability of cathode. Using GDC as electrolyte, the dual phase cathode with porous nano coating will be applied in IT-SOFC, the influence of the porous nano coating on improving IT-SOFC performance will be studied as well as the reliability of the coating for long-term work. This research work will provide theoretical basis for the technique of increasing oxygen transmission ability on IT-SOFCs cathode, and selecting coating material system.

中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFCs）作为高效的电化学能量转换装置是近年来发展的方向。在中温条件下，阴极材料表面的氧交换过程往往成为电化学反应的限制性环节。本项目首先制备Ba1.0Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ（BCFN）和Ce0.9Gd0.1O1.95（GDC）新型复相阴极材料，然后在阴极空气侧表面涂覆Ce0.8Y0.2O1.9（YDC）和BCFN复合的多孔纳米涂层；同时研究晶粒细化对多孔涂层材料物相成分、微观结构、氧离子及电子导电性能、表面成分和价态变化规律、氧的表面交换系数以及氧传输能力的影响规律；分析涂层表面氧交换的热力学和动力学过程，揭示提高阴极氧传输能力的机理。通过在GDC作为固体电解质的IT-SOFCs中应用，研究多孔纳米涂层对电池性能提高的效果和长期工作的可靠性。为探索在IT-SOFCs阴极的空气侧改善氧传输能力的方法和选择涂层材料体系提供理论依据。

本项目以IT-SOFCs作为研究对象，针对在中温条件下阴极材料成为电化学反应限制性环节的问题，选择了BCFN和BCFN-GDC材料作为IT-SOFC的阴极，通过在阴极空气侧表面涂覆YDC以及BCFN-YDC的多孔纳米涂层来减小阴极的极化阻抗，提高电池的电化学性能。. 研究了造孔剂大小、添加量以及阴极厚度对BCFN、BCFN-GDC阴极微观结构和性能的影响，优化了阴极制备工艺。BCFN阴极厚度在30 μm时阴极极化阻抗最小，650℃时为0.43 Ωcm2；含40wt% GDC的BCFN-GDC复合阴极，厚度为60 μm，添加1 g PMMA作为造孔剂时，阴极极化阻抗最小，650℃时为0.62 Ωcm2。. 采用浸渍的方法在BCFN阴极表面负载YDC纳米颗粒，浸渍量为30 μL时，热处理温度为900 ℃时极化阻抗最小，650 ℃时为0.43 Ωcm2，与BCFN电极相比时减小了22.8 %。涂覆了YDC纳米涂层的BCFN/YSZ/Ni-YSZ单电池功率密度较未涂覆的增加了10%。采用EDTA-柠檬酸溶胶凝胶法合成了平均晶粒尺寸为60nm的BCFN纳米粉体，和YDC（50wt%）纳米粉体复合作为涂层，在650C阴极极化阻抗为0.29Ω∙cm2，相比无涂层的BCFN-GDC阴极减小了约55%。. 纳米涂层增大了阴极表面的有效反应区即更多的三相界面，有利于表面的氧交换。同时YDC比BCFN具有更多的表面氧空位，且Ce3+更容易被氧化，并释放出电子，有利于表面吸附氧的催化还原。在500 ℃时，浸渍YDC纳米颗粒后，BCFN材料的氧体扩散系数和表面交换系数分别从1.13x10-5 cm2 s-1提高到2.11x10-4 cm2 s-1和7.56x10-4 cm s-1提高到3.33x10-3 cm s-1。. 上述研究成果可以为提高IT-SOFCs 阴极侧的氧传输能力的方法选择和涂层材料体系的开发提供相关的参考。