Material de contacto del cátodo LaNi0.6Fe0.4O3: manipulación de las propiedades de conducción eléctrica y su efecto sobre el rendimiento electroquímico de las SOFC

ZHANG Kun, WANG Yu, ZHU Tenglong, SUN Kaihua, HAN Minfang, ZHONG Qin. Material de contacto del cátodo LaNi0.6Fe0.4O3: manipulación de las propiedades de conducción eléctrica y su efecto sobre el rendimiento electroquímico de las SOFC [J]. Revista de materiales inorgánicos, DOI: 10.15541/jim20230353 .

Diagrama esquemático de la interfaz de contacto del cátodo y del interconector.

Durante el proceso de ensamblaje de la pila de celda de combustible de óxido sólido (SOFC), el contacto directo entre el cátodo cerámico y el conector metálico es deficiente y la tensión es alta. Es fácil producir una gran resistencia de contacto en la interfaz, lo que a su vez afecta el rendimiento y la estabilidad de la pila. Generalmente se agrega una capa de contacto catódico entre el cátodo y el conector para mejorar el contacto de la interfaz. LaNi0.6Fe0.4O3 (LNF) tiene las ventajas de una alta conductividad eléctrica y un coeficiente de expansión térmica coincidente con los materiales del cátodo y del conector. Es un material de capa de contacto ampliamente utilizado en SOFC de placa plana. Sin embargo, durante el funcionamiento a largo plazo de la pila, el LNF tiene fenómenos como el engrosamiento de las partículas y cambios significativos en la resistencia de la superficie, lo que daña la interfaz de contacto y, por lo tanto, afecta el rendimiento de la pila. El grupo de investigación de Zhu Tenglong en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing utilizó dos métodos, granulación por prensado en seco y sinterización a alta temperatura, para preparar materiales LNF de partículas grandes, y estudió la evolución de la resistencia superficial bajo carga actual y su impacto en el rendimiento electroquímico de SOFC. células individuales.

Evolución de ASR de LNF versus tiempo bajo 750 ℃ ​​y 1A/cm2, imágenes SEM de LNF antes y después de la prueba de ASR (a) Inicial; (b) Prueba posterior

La investigación indica. En comparación con el LNF-1 sin tratar, el LNF-2 y el LNF-3 que se han sometido a granulación por prensado en seco y sinterización a alta temperatura tienen una menor resistencia superficial inicial. El tamaño de partícula del LNF de tamaño de partícula pequeño aumentará significativamente bajo la carga actual. Aunque el LNF-2 granulado mediante prensado en seco tiene un tamaño de partícula mayor, conserva una mejor actividad de sinterización, por lo que también muestra un fenómeno de sinterización más evidente bajo carga actual, lo que resulta en una reducción de la resistencia de la lámina. El LNF-3 que se ha sometido a un pretratamiento de sinterización a alta temperatura básicamente ha perdido su actividad de sinterización y su tamaño de partícula cambia poco bajo la acción de la corriente, por lo que su resistencia superficial permanece estable. Además, la impedancia óhmica de las celdas individuales LNF-2 y LNF-3 con tamaños de partículas más grandes es menor que la de LNF-1, lo que está relacionado con su menor resistencia del área del componente de contacto y un mejor contacto de la interfaz catódica. Al mismo tiempo, tanto las células individuales LNF-2 como LNF-3 mostraron una menor resistencia a la polarización, lo que indica que aumentar el tamaño de las partículas de LNF puede mejorar la transmisión y difusión de oxígeno en el aire en el lado del cátodo. En múltiples experimentos de ciclo térmico, la celda única LNF-2 mostró un excelente rendimiento electroquímico inicial, pero aún conservaba una buena actividad de sinterización debido a su propia actividad. Durante el funcionamiento a largo plazo a altas temperaturas y múltiples pruebas de rendimiento electroquímico, es más probable que sus partículas se vuelvan más gruesas, lo que provoca daños en los poros y descamación de la interfaz, lo que lleva a una atenuación significativa del rendimiento de una sola celda. Por el contrario, los materiales LNF-3 que se han sometido a un pretratamiento de sinterización a alta temperatura tienen una actividad de sinterización deficiente y pueden mantener una buena estabilidad estructural durante los ciclos térmicos de alta temperatura.

Espectros EIS (a) y gráficos de ajuste DRT (b) de celdas individuales bajo una presión parcial de oxígeno de 2,1 × 104 y 3 × 103 Pa, y su correspondiente resistencia óhmica (c) y resistencia de polarización (d).

Aspectos destacados de este artículo:

1. En comparación con el material LNF-1 sin tratar, el LNF-2 y el LNF-3 controlados por partículas pueden reducir la resistencia de la lámina. La resistencia superficial del componente de contacto puede alcanzar rápidamente un estado estable bajo carga actual, y la estructura puede mantenerse estable bajo condiciones de carga actual a largo plazo.

2. El material de contacto LNF de gran tamaño de partículas puede optimizar el contacto de la interfaz del cátodo, promover la difusión y el transporte de oxígeno en el lado del cátodo y mejorar el rendimiento de salida de una sola celda.

3. El material LNF granulado prensado en seco aún conserva cierta actividad de sinterización, lo que resulta en una mala estabilidad del ciclo térmico. El pretratamiento de sinterización a alta temperatura puede mejorar significativamente la estabilidad estructural de los materiales de contacto del cátodo LNF durante los procesos de descarga y ciclos térmicos.

Diagramas esquemáticos e imágenes SEM para interfaces de contacto catódico de celdas individuales después del ciclo térmico

Comentario:

1. En este artículo, el autor estudia la evolución de la resistencia superficial del conjunto de contacto catódico debido al tamaño de partícula del material LNF y su impacto en el rendimiento electroquímico y la estabilidad de la celda individual SOFC. Se descubrió que el aumento del tamaño de partícula mediante sinterización a alta temperatura reduce la resistencia laminar del conjunto de contacto catódico. La resistencia superficial del componente de contacto puede alcanzar rápidamente un estado estable bajo carga actual y la estructura puede mantenerse estable bajo condiciones de carga actual a largo plazo, lo que proporciona una buena referencia para mejorar el rendimiento de SOFC.

2. Esta investigación está orientada a las necesidades reales de materiales de contacto de baja resistencia y alta conductividad para pilas de pilas de combustible de óxido sólido. Se estudió el mecanismo de la influencia del control del tamaño de partícula de LaNi0.6Fe0.4O3 sobre la conductividad y el rendimiento de una sola celda de SOFC, y se analizó la influencia de las condiciones operativas como el contenido de oxígeno del aire y el ciclo térmico en el rendimiento de una sola celda durante la granulación de LNF utilizando diferentes medios. en detalle. El concepto del artículo es relativamente nuevo, el pensamiento es claro, los datos enumerados pueden respaldar las cuestiones correspondientes y tiene cierto valor de aplicación práctica. El artículo tiene una estructura clara, una lógica razonable y una redacción estandarizada.