Materiale di contatto del catodo LaNi0.6Fe0.4O3: manipolazione delle proprietà di conduzione elettrica e il suo effetto sulle prestazioni elettrochimiche della SOFC

ZHANG Kun, WANG Yu, ZHU Tenglong, SUN Kaihua, HAN Minfang, ZHONG Qin. Materiale di contatto del catodo LaNi0.6Fe0.4O3: manipolazione delle proprietà di conduzione elettrica e il suo effetto sulle prestazioni elettrochimiche delle SOFC[J]. Giornale dei materiali inorganici, DOI: 10.15541/jim20230353 .

Diagramma schematico del catodo e dell'interfaccia di contatto dell'interconnettore

Durante il processo di assemblaggio dello stack di celle a combustibile piatte a ossido solido (SOFC), il contatto diretto tra il catodo ceramico e il connettore metallico è scarso e lo stress è elevato. È facile produrre una grande resistenza di contatto dell'interfaccia, che a sua volta influisce sulle prestazioni e sulla stabilità dello stack. Uno strato di contatto catodico viene solitamente aggiunto tra il catodo e il connettore per migliorare il contatto dell'interfaccia. LaNi0.6Fe0.4O3 (LNF) presenta i vantaggi di un'elevata conduttività elettrica e di un coefficiente di dilatazione termica corrispondente ai materiali del catodo e del connettore. È un materiale di strato di contatto ampiamente utilizzato nelle SOFC a piastra piana. Tuttavia, durante il funzionamento a lungo termine dello stack, gli LNF presentano fenomeni come l'ingrossamento delle particelle e cambiamenti significativi nella resistenza superficiale, che portano a danni all'interfaccia di contatto e quindi influiscono sulle prestazioni dello stack. Il gruppo di ricerca di Zhu Tenglong presso l'Università della Scienza e della Tecnologia di Nanchino ha utilizzato due metodi, granulazione tramite pressatura a secco e sinterizzazione ad alta temperatura, per preparare materiali LNF a particelle di grandi dimensioni e ha studiato l'evoluzione della resistenza superficiale sotto carico di corrente e il suo impatto sulle prestazioni elettrochimiche della SOFC singole cellule.

Evoluzione dell'ASR dei LNF rispetto al tempo inferiore a 750 ℃ ​​e 1A/cm2, immagini SEM dei LNF prima e dopo il test ASR(a) Iniziale; (b) Post-test

La ricerca indica. Rispetto ai LNF-1 non trattati, LNF-2 e LNF-3 sottoposti a granulazione con pressatura a secco e sinterizzazione ad alta temperatura presentano una resistenza superficiale iniziale inferiore. La dimensione delle particelle dei LNF di piccole dimensioni aumenterà significativamente sotto il carico attuale. Sebbene l'LNF-2 granulato mediante pressatura a secco abbia una dimensione delle particelle maggiore, mantiene una migliore attività di sinterizzazione, quindi mostra anche un fenomeno di sinterizzazione più evidente sotto carico corrente, con conseguente riduzione della resistenza del foglio. L'LNF-3 che è stato sottoposto a pretrattamento di sinterizzazione ad alta temperatura ha sostanzialmente perso la sua attività di sinterizzazione e la sua dimensione delle particelle cambia poco sotto l'azione della corrente, quindi la sua resistenza superficiale rimane stabile. Inoltre, l'impedenza ohmica delle celle singole LNF-2 e LNF-3 con particelle di dimensioni maggiori è inferiore a quella dell'LNF-1, il che è correlato alla minore resistenza dell'area dei componenti di contatto e al migliore contatto dell'interfaccia catodica. Allo stesso tempo, sia le singole celle dell’LNF-2 che quelle dell’LNF-3 hanno mostrato una minore resistenza alla polarizzazione, indicando che l’aumento della dimensione delle particelle dell’LNF può migliorare la trasmissione e la diffusione dell’ossigeno nell’aria sul lato del catodo. In più esperimenti di ciclo termico, la singola cella LNF-2 ha mostrato eccellenti prestazioni elettrochimiche iniziali, ma ha comunque mantenuto una buona attività di sinterizzazione grazie alla propria. Durante il funzionamento a lungo termine ad alte temperature e numerosi test sulle prestazioni elettrochimiche, le sue particelle hanno maggiori probabilità di ingrossarsi, causando danni ai pori e desquamazione dell'interfaccia, con conseguente significativa attenuazione delle prestazioni della singola cella. Al contrario, i materiali LNF-3 che sono stati sottoposti a pretrattamento di sinterizzazione ad alta temperatura hanno una scarsa attività di sinterizzazione e possono mantenere una buona stabilità strutturale durante i cicli termici ad alta temperatura.

Spettri EIS (a) e grafici di adattamento DRT (b) di singole celle sotto pressione parziale di ossigeno di 2,1 × 104 e 3 × 103 Pa e la loro corrispondente resistenza ohmica (c) e resistenza di polarizzazione (d)

Punti salienti di questo articolo:

1. Rispetto al materiale LNF-1 non trattato, LNF-2 e LNF-3 controllati da particelle possono ridurre la resistenza del foglio. La resistenza superficiale del componente di contatto può raggiungere rapidamente uno stato stazionario sotto carico di corrente e la struttura può essere mantenuta stabile in condizioni di carico di corrente a lungo termine.

2. Il materiale di contatto LNF di grandi dimensioni delle particelle può ottimizzare il contatto dell'interfaccia del catodo, promuovere la diffusione e il trasporto dell'ossigeno sul lato del catodo e migliorare le prestazioni di uscita della singola cella.

3. Il materiale LNF granulato pressato a secco conserva ancora una certa attività di sinterizzazione, con conseguente scarsa stabilità del ciclo termico. Il pretrattamento di sinterizzazione ad alta temperatura può migliorare significativamente la stabilità strutturale dei materiali di contatto del catodo LNF durante i cicli termici e i processi di scarica.

Diagrammi schematici e immagini SEM per le interfacce di contatto catodico di singole celle dopo il ciclo termico

Commento:

1. In questo articolo, l'autore studia l'evoluzione della resistenza superficiale del gruppo di contatti del catodo dovuta alla dimensione delle particelle del materiale LNF e il suo impatto sulle prestazioni elettrochimiche e sulla stabilità della singola cella SOFC. Si è scoperto che l'aumento della dimensione delle particelle attraverso la sinterizzazione ad alta temperatura riduce la resistenza del foglio del gruppo di contatto del catodo. La resistenza superficiale del componente di contatto può raggiungere rapidamente uno stato stazionario sotto carico di corrente e la struttura può essere mantenuta stabile in condizioni di carico di corrente a lungo termine, il che fornisce un buon riferimento per migliorare le prestazioni della SOFC.

2. Questa ricerca è orientata alle attuali esigenze di materiali di contatto a bassa resistenza e alta conduttività per stack di celle a combustibile a ossidi solidi. È stato studiato il meccanismo dell'influenza del controllo della dimensione delle particelle di LaNi0.6Fe0.4O3 sulla conduttività e sulle prestazioni della singola cella SOFC ed è stata analizzata l'influenza delle condizioni operative come il contenuto di ossigeno nell'aria e il ciclo termico sulle prestazioni della singola cella durante la granulazione LNF utilizzando mezzi diversi in dettaglio. Il concetto del documento è relativamente nuovo, il pensiero è chiaro, i dati elencati possono supportare bene le questioni corrispondenti e hanno un certo valore di applicazione pratica. L'articolo ha una struttura chiara, una logica ragionevole e una scrittura standardizzata.