LaNi0,6Fe0,4O3-Kathodenkontaktmaterial: Manipulation der elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften und ihre Auswirkung auf die elektrochemische Leistung von SOFC

ZHANG Kun, WANG Yu, ZHU Tenglong, SUN Kaihua, HAN Minfang, ZHONG Qin. LaNi0,6Fe0,4O3-Kathodenkontaktmaterial: Manipulation der elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften und ihre Auswirkung auf die elektrochemische Leistung von SOFC[J]. Journal of Inorganic Materials, DOI: 10.15541/jim20230353 .

Schematische Darstellung der Kontaktschnittstelle zwischen Kathode und Interkonnektor

Während des Montageprozesses des flachen Festoxid-Brennstoffzellenstapels (SOFC) ist der direkte Kontakt zwischen der Keramikkathode und dem Metallverbinder schlecht und die Belastung hoch. Es ist leicht, einen großen Kontaktwiderstand an der Schnittstelle zu erzeugen, was sich wiederum auf die Leistung und Stabilität des Stapels auswirkt. Um den Schnittstellenkontakt zu verbessern, wird üblicherweise zwischen Kathode und Stecker eine Kathodenkontaktschicht hinzugefügt. LaNi0,6Fe0,4O3 (LNF) hat die Vorteile einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und eines passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten mit Kathoden- und Verbindungsmaterialien. Es ist ein weit verbreitetes Kontaktschichtmaterial in Flachplatten-SOFC. Während des Langzeitbetriebs des Stapels kommt es jedoch bei LNF zu Phänomenen wie Partikelvergröberung und erheblichen Änderungen des Oberflächenwiderstands, was zu Schäden an der Kontaktschnittstelle führt und somit die Leistung des Stapels beeinträchtigt. Die Forschungsgruppe von Zhu Tenglong an der Nanjing University of Science and Technology verwendete zwei Methoden, Trockenpressgranulation und Hochtemperatursintern, um LNF-Materialien mit großen Partikeln herzustellen, und untersuchte die Entwicklung des Oberflächenwiderstands unter Strombelastung und seinen Einfluss auf die elektrochemische Leistung von SOFC einzelne Zellen.

ASR-Entwicklung von LNF gegenüber der Zeit unter 750 °C und 1 A/cm2, SEM-Bilder von LNF vor und nach ASR-Test(a) Anfänglich; (b) Nachtest

Untersuchungen zeigen. Im Vergleich zu unbehandeltem LNF-1 weisen LNF-2 und LNF-3, die einer Trockenpressgranulierung und Hochtemperatursinterung unterzogen wurden, einen geringeren anfänglichen Oberflächenwiderstand auf. Die Partikelgröße von LNF mit kleiner Partikelgröße nimmt unter der aktuellen Belastung erheblich zu. Obwohl das durch Trockenpressen granulierte LNF-2 eine größere Partikelgröße aufweist, behält es eine bessere Sinteraktivität bei, sodass es unter Strombelastung auch ein offensichtlicheres Sinterphänomen zeigt, was zu einer Verringerung des Schichtwiderstands führt. LNF-3, das einer Hochtemperatur-Sintervorbehandlung unterzogen wurde, hat im Wesentlichen seine Sinteraktivität verloren und seine Partikelgröße ändert sich unter der Einwirkung von Strom kaum, sodass sein Oberflächenwiderstand stabil bleibt. Darüber hinaus ist die ohmsche Impedanz von LNF-2- und LNF-3-Einzelzellen mit größeren Partikelgrößen kleiner als die von LNF-1, was mit ihrem geringeren Kontaktkomponentenflächenwiderstand und einem besseren Kathodengrenzflächenkontakt zusammenhängt. Gleichzeitig zeigten sowohl LNF-2- als auch LNF-3-Einzelzellen einen geringeren Polarisationswiderstand, was darauf hindeutet, dass eine Erhöhung der LNF-Partikelgröße die Übertragung und Diffusion von Sauerstoff in der Luft auf der Kathodenseite verbessern kann. In mehreren Experimenten mit thermischen Zyklen zeigte die LNF-2-Einzelzelle eine hervorragende anfängliche elektrochemische Leistung, behielt aber aufgrund ihrer eigenen immer noch eine gute Sinteraktivität bei. Bei Langzeitbetrieb bei hohen Temperaturen und mehreren elektrochemischen Leistungstests besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, dass sich die Partikel vergröbern, was zu Porenschäden und einem Ablösen der Grenzflächen führt, was zu einer erheblichen Leistungsminderung der Einzelzelle führt. Im Gegensatz dazu weisen LNF-3-Materialien, die einer Hochtemperatur-Sintervorbehandlung unterzogen wurden, eine schlechte Sinteraktivität auf und können während thermischer Hochtemperaturzyklen eine gute strukturelle Stabilität aufrechterhalten.

EIS-Spektren (a) und DRT-Anpassungsdiagramme (b) einzelner Zellen unter einem Sauerstoffpartialdruck von 2,1×104 und 3×103 Pa und ihr entsprechender Ohmscher Widerstand (c) und Polarisationswiderstand (d)

Highlights dieses Artikels:

1. Im Vergleich zu unbehandeltem LNF-1-Material können partikelgesteuertes LNF-2 und LNF-3 den Schichtwiderstand verringern. Der Oberflächenwiderstand der Kontaktkomponente kann unter Stromlast schnell einen stabilen Zustand erreichen und die Struktur kann unter langfristigen Stromlastbedingungen stabil gehalten werden.

2. LNF-Kontaktmaterial mit großer Partikelgröße kann den Kathodengrenzflächenkontakt optimieren, die Sauerstoffdiffusion und den Sauerstofftransport auf der Kathodenseite fördern und die Ausgangsleistung einzelner Zellen verbessern.

3. Das trockengepresste granulierte LNF-Material behält noch eine gewisse Sinteraktivität bei, was zu einer schlechten thermischen Zyklenstabilität führt. Eine Hochtemperatur-Sintervorbehandlung kann die strukturelle Stabilität von LNF-Kathodenkontaktmaterialien während thermischer Wechsel- und Entladungsprozesse erheblich verbessern.

Schematische Diagramme und REM-Bilder für Kathodenkontaktschnittstellen einzelner Zellen nach Temperaturwechsel

Kommentar:

1. In diesem Artikel untersucht der Autor die Entwicklung des Oberflächenwiderstands der Kathodenkontaktbaugruppe aufgrund der Partikelgröße des LNF-Materials und seinen Einfluss auf die elektrochemische Leistung und Stabilität der SOFC-Einzelzelle. Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung der Partikelgröße durch Hochtemperatursintern den Schichtwiderstand der Kathodenkontaktanordnung verringert. Der Oberflächenwiderstand der Kontaktkomponente kann unter Stromlast schnell einen stabilen Zustand erreichen und die Struktur kann unter langfristigen Stromlastbedingungen stabil gehalten werden, was eine gute Referenz für die Verbesserung der Leistung von SOFC darstellt.

2. Diese Forschung ist auf den tatsächlichen Bedarf an Kontaktmaterialien mit niedrigem Widerstand und hoher Leitfähigkeit für Festoxid-Brennstoffzellenstapel ausgerichtet. Der Mechanismus des Einflusses der LaNi0,6Fe0,4O3-Partikelgrößensteuerung auf die Leitfähigkeit und die Leistung von SOFC-Einzelzellen wurde untersucht und der Einfluss von Betriebsbedingungen wie Luftsauerstoffgehalt und Wärmezyklus auf die Leistung von Einzelzellen während der LNF-Granulierung mit verschiedenen Mitteln analysiert im Detail. Das Konzept des Papiers ist relativ neu, die Denkweise ist klar, die aufgeführten Daten können die entsprechenden Probleme gut unterstützen und haben einen gewissen praktischen Anwendungswert. Der Artikel hat eine klare Struktur, eine vernünftige Logik und einen standardisierten Schreibstil.