Material de contato do cátodo LaNi0.6Fe0.4O3: manipulação de propriedades de condução elétrica e seu efeito no desempenho eletroquímico do SOFC

ZHANG Kun, WANG Yu, ZHU Tenglong, SUN Kaihua, HAN Minfang, ZHONG Qin. Material de contato do cátodo LaNi0.6Fe0.4O3: manipulação de propriedades de condução elétrica e seu efeito no desempenho eletroquímico do SOFC [J]. Jornal de Materiais Inorgânicos, DOI: 10.15541/jim20230353 .

Diagrama esquemático da interface de contato do cátodo e do interconector

Durante o processo de montagem da pilha plana de células a combustível de óxido sólido (SOFC), o contato direto entre o cátodo cerâmico e o conector metálico é fraco e a tensão é alta. É fácil produzir grande resistência de contato de interface, o que por sua vez afeta o desempenho e a estabilidade da pilha. Uma camada de contato catódico geralmente é adicionada entre o cátodo e o conector para melhorar o contato da interface. LaNi0.6Fe0.4O3 (LNF) tem as vantagens de alta condutividade elétrica e coeficiente de expansão térmica correspondente aos materiais do cátodo e do conector. É um material de camada de contato amplamente utilizado em SOFC de placa plana. No entanto, durante a operação de longo prazo da pilha, o LNF apresenta fenômenos como engrossamento de partículas e alterações significativas na resistência superficial, o que leva a danos na interface de contato e, portanto, afeta o desempenho da pilha. O grupo de pesquisa de Zhu Tenglong na Universidade de Ciência e Tecnologia de Nanjing usou dois métodos, granulação por prensagem a seco e sinterização em alta temperatura, para preparar materiais LNF de partículas grandes e estudou a evolução da resistência superficial sob carga de corrente e seu impacto no desempenho eletroquímico de SOFC células únicas.

Evolução da ASR do LNF versus tempo abaixo de 750 ℃ ​​e 1A/cm2, imagens SEM de LNF antes e depois do teste de ASR(a) Inicial; (b) Pós-teste

A pesquisa indica. Em comparação com o LNF-1 não tratado, o LNF-2 e o LNF-3 que foram submetidos à granulação por prensagem a seco e à sinterização em alta temperatura apresentam menor resistência superficial inicial. O tamanho de partícula do LNF de tamanho pequeno aumentará significativamente sob carga atual. Embora o LNF-2 granulado por prensagem a seco tenha um tamanho de partícula maior, ele retém melhor atividade de sinterização, por isso também apresenta um fenômeno de sinterização mais óbvio sob carga de corrente, resultando em redução na resistência da folha. O LNF-3 que passou por pré-tratamento de sinterização em alta temperatura basicamente perdeu sua atividade de sinterização e seu tamanho de partícula muda pouco sob a ação da corrente, de modo que sua resistência superficial permanece estável. Além disso, a impedância ôhmica das células individuais LNF-2 e LNF-3 com tamanhos de partículas maiores é menor que a do LNF-1, o que está relacionado à menor resistência da área do componente de contato e ao melhor contato da interface do cátodo. Ao mesmo tempo, as células individuais LNF-2 e LNF-3 apresentaram menor resistência à polarização, indicando que aumentar o tamanho das partículas de LNF pode melhorar a transmissão e difusão do oxigênio no ar no lado do cátodo. Em múltiplos experimentos de ciclo térmico, a célula única LNF-2 apresentou excelente desempenho eletroquímico inicial, mas ainda manteve boa atividade de sinterização devido à sua própria. Durante a operação de longo prazo em altas temperaturas e vários testes de desempenho eletroquímico, é mais provável que suas partículas se tornem mais grossas, causando danos aos poros e descamação da interface, levando a uma atenuação significativa do desempenho de célula única. Em contraste, os materiais LNF-3 que foram submetidos a pré-tratamento de sinterização em alta temperatura apresentam baixa atividade de sinterização e podem manter boa estabilidade estrutural durante ciclos térmicos de alta temperatura.

Espectros EIS (a) e gráficos de ajuste DRT (b) de células individuais sob pressão parcial de oxigênio de 2,1 × 104 e 3 × 103 Pa, e sua resistência ôhmica correspondente (c) e resistência de polarização (d)

Destaques deste artigo:

1. Comparado com o material LNF-1 não tratado, o LNF-2 e o LNF-3 controlados por partículas podem reduzir a resistência da folha. A resistência superficial do componente de contato pode atingir rapidamente um estado estacionário sob carga de corrente, e a estrutura pode ser mantida estável sob condições de carga de corrente de longo prazo.

2. O material de contato LNF de tamanho de partícula grande pode otimizar o contato da interface do cátodo, promover a difusão e transporte de oxigênio no lado do cátodo e melhorar o desempenho de saída de célula única.

3. O material LNF granulado prensado a seco ainda retém uma certa atividade de sinterização, resultando em baixa estabilidade do ciclo térmico. O pré-tratamento de sinterização em alta temperatura pode melhorar significativamente a estabilidade estrutural dos materiais de contato do cátodo LNF durante os processos de ciclagem térmica e descarga.

Diagramas esquemáticos e imagens SEM para interfaces de contato catódico de células individuais após ciclagem térmica

Comente:

1. Neste artigo, o autor estuda a evolução da resistência superficial do conjunto de contato catódico devido ao tamanho das partículas do material LNF e seu impacto no desempenho eletroquímico e na estabilidade da célula única SOFC. Verificou-se que o aumento do tamanho das partículas através da sinterização a alta temperatura reduz a resistência da folha do conjunto de contato catódico. A resistência superficial do componente de contato pode atingir rapidamente um estado estacionário sob carga de corrente e a estrutura pode ser mantida estável sob condições de carga de corrente de longo prazo, o que fornece uma boa referência para melhorar o desempenho do SOFC.

2. Esta pesquisa é orientada para as necessidades reais de materiais de contato de baixa resistência e alta condutividade para pilhas de células a combustível de óxido sólido. O mecanismo de influência do controle do tamanho de partícula LaNi0.6Fe0.4O3 na condutividade e no desempenho de célula única SOFC foi estudado, e a influência das condições operacionais, como teor de oxigênio no ar e ciclo térmico, no desempenho de célula única durante a granulação LNF usando diferentes meios foi analisada em detalhe. O conceito do artigo é relativamente novo, o pensamento é claro, os dados listados podem apoiar bem as questões correspondentes e têm certo valor de aplicação prática. O artigo tem estrutura clara, lógica razoável e redação padronizada.