与LSCF-SDC表征固体氧化物燃料电池复合阴极

文摘

本文的研究报告anode-supported固体氧化物燃料电池单元包含一个LSCF-SDC复合阴极。固体氧化物燃料电池电池测试在不同的温度和反应物流速。测试后,细胞被切割,使用SEM / EDS特征。这种分析表明,没有结构性破坏和重要的元素相互扩散层中发生。电化学性能数据在不同的温度下测量表明阿伦尼乌斯的行为或温度激活过程。低孔阳极功能层似乎非常敏感的低氢含量。电化学性能也通过改变空气流速的影响。

1。介绍

固体氧化物燃料电池(sofc)是电化学装置,直接将燃料的化学能不燃烧的一步。众所周知,他们是高效,燃料灵活、模块化和热电联产的能力(1- - - - - -4]。发生了重大进展在这个技术多年来,包括商品化的努力;然而,仍有改进的空间。例如,氧电极或阴极仍然限制了固体氧化物燃料电池的性能尤其是在低温下(5,6]。提高阴极的性能的一个方法是使用功能层来提高氧气还原反应动力学传质(7,8]。另一种方法是使用复合阴极的电解液阶段与阴极材料的混合9,10]。其他人使用渗透技术再次提高氧气在阴极还原反应动力学(11,12]。不管使用什么方法,化学兼容性和长期性能需要更好的理解,以确保固体氧化物燃料电池系统可以与现有的技术竞争。在这项工作中,我们报告LSCF-SDC复合阴极材料和电化学特性的测试在不同的温度下,氢气流速,和空气流速。这些参数对电池性能的影响,讨论了测试以及后期的特征细胞。

2。实验

商业anode-supported影响购买了一个直径约25.4毫米。他们由一个高度多孔Ni-YSZ大部分支持阳极在一层薄薄的低孔隙度作为功能层。一个密集的YSZ层作为电解液。商业署油墨丝网印刷到电解液和发射在1240°C 2小时。署层作为阻挡层与YSZ LSCF阴极,以防止不必要的化学反应。的混合物LSCF-SDC随后丝网印刷了1110°C 1小时。目前双方的收藏家们应用墨水和发射850°C 1小时。细胞活跃的实测面积是2.5厘米²。

固体氧化物燃料电池电池测试试验台如图1。500和750°C之间的温度变化,密切监测通过将细胞附近的一个热电偶。在阳极方面,调湿氢是在室温下使用流量从0.05到1.0 SLPM。在室温下,含水量在3%左右(1]。在阴极方面,空气作为氧化剂流量从0.1到1.0 SLPM。电压、密度曲线以及阻抗测量是使用PARSTAT 2273装置加上电源升压从公司获得普林斯顿应用研究。电压、密度曲线得到的扫描速率3 mV / s之间开路电压0.3 V。阻抗数据得到开路电压。之间的频率范围是0.01赫兹和1 MHz交流振幅10 mV和12基准分频率十年。分析200年代量子环境扫描电子显微镜产生的飞利浦电子光学公司用于高倍率照片的后期表征和化学地图。

3所示。结果与讨论

图2报告的扫描电镜照片SOFC电池后完成所有测试。阳极支撑层非常多孔薄,透气性差,功能层厚度为8微米左右。高度密集的YSZ层也是8微米厚。署层4微米左右,有些致密层。LSCF-SDC复合阴极是高度多孔和大约20微米的厚度。SEM照片表明,细胞完整,保存完好,没有明显的损坏或分层的层可以被观察到。

除了细胞结构完整性,在所有的元素相互扩散层需要避免。EDS进行截面如图2获得化学地图。图3说明了阴极化学元素组成,即,洛杉矶,Sr、Co和铁。La是均匀分布在阴极,署层附近的清晰线表明忽略扩散阻挡层。洛杉矶是阴极中最丰富的元素之一,铁是另一个。SEM是无法检测Sr数量有意义。这主要是由于x射线线重叠Sr和y .此外,Sr在阴极的数量不是很大,一般来说,没有高分辨率扫描电镜机器。公司也存在于少量,阴极内的合理分布。在扫描电镜的分辨率,公司没有进入阻挡层。最后,菲在阴极均匀分布;然而,少量存在于署层。铁作为烧结援助获得致密的二氧化铈层,和一些商业供应商将在署油墨中添加少量的氧化铁(13]。正因为如此,很难区分如果铁从阴极迁移到署层的它已经存在。

图4显示了Sm的化学地图和Ce。两个元素均匀分布在署层,如预期的一样,它扩展了统一到复合阴极。元素都没有迁移到YSZ电解质一样锋利边缘可以清楚地观察到。明显是Sm的一些背景噪声地图,但没有观察到这个地图。图5报告的化学地图Y, Zr,倪。Y和Zr均匀电解质层中观察到。锋利的边缘附近的署层表示没有相互扩散阻挡层。Y和Zr,然而,并不是均匀分布在阳极。阳极功能Y和Zr含量超过大部分阳极为了增加三相边界,从而增加了电化学反应在燃料方面14]。散装镍均匀分布阳极为了增加导电性,但镍阳极功能层中存在需要混合导电率(15]。

署之间的相互扩散和YSZ层最近报道了SOFC细胞发射在1400°C和发生在点火温度高达1200°C (16]。类似的行为已经报道了二氧化铈阻挡层与钆掺杂(17]。署/ YSZ影响署层沉积,使用脉冲激光沉积技术避免了高温点火步骤,和两者之间的相互扩散层没有观察到(18]。额外的研究报告,解散的Sm YSZ阶段也可以导致电解质离子电导率下降(19,20.]。署和YSZ层之间相互扩散的原因是没有观察到的测试细胞可能是因为署层的烧成温度较低(1240°C)。虽然相互扩散可能没有完全阻止,影响非常小,无法使用传统的SEM / EDS技术检测。

图6介绍了测试电池的电压、密度特征测量从500到750°C每隔50°C。电池功率密度随温度和达到最高约为1.2 W /厘米²。750°C的电池开路电压1.1 V左右,略低于1.110 V的能斯特电压相同的温度(15]。这轻微的区别是由于小泄漏到密封的设置。可以看到,在750°C细胞表现相当不错,但变得无关紧要的温度达到500°C。在高电流密度、电压不迅速下降,表明扩散损失不是很大的温度。

在缴纳阻抗数据收集在同一温度,和奈奎斯特图如图7。数据显示,性能下降主要是由于电极极化,因为低频拦截变得越来越大,随着温度降低。换句话说,阴极电化学活动或能力严重削弱和降低温度。的电阻部分细胞可以从高频拦截。电阻的贡献降低细胞性能小于电极极化;然而,在欧姆电阻仍然存在显著增加。看到插图在图7。进一步证明上面,桌子1报告的欧姆电阻和电极极化估计总阻抗数据如图7。在每一个温度,电阻的贡献比例的总阻力要小得多。同样明显的是,两个电阻温度激活过程,和他们遵循一个阿伦尼乌斯的行为。这是显示在图8这两个电阻的对数密谋反对温度的倒数。观察到的线性行为的数据证实了阿伦尼乌斯的行为。

进一步描述电池性能、氢气流量标准不一从0.05到1.0升每分钟在750°C。电压、密度特征如图9。电池的性能不受影响的流率或SLPM介于1和0.5。0.25 SLPM,电池性能开始在高电流密度的影响。一些小型数据振荡也观察到这组数据。进一步减少氢流量影响性能更快和更早(或较低的电流密度)。振荡也变得更加突出和重要的数据。作者的知识,这种行为还没有文献报道。然而,这可能是一个重要的发现,因为它表明,低孔阳极功能层可能影响氢可能扩散速度(或水扩散)通过三相边界特别是氢浓度较低。这种行为可能是一个令人忧虑的堆栈操作在高燃料利用率的地方氢离子浓度变低,水的浓度就高了。对于这组测试,缴纳的阻抗数据图所示10。电阻部分或高频拦截不改变改变氢气流量。除了两个流率最低,低频拦截相当一样的。这种行为表明,圈在低频率与扩散过程。

最后,依赖空气流量也进行了研究。图11介绍了电压、密度特征的空气流率在0.1和1.0之间SLPM在750°C。流速曲线的影响,虽然性能的损失较大的流率最低。对于这组测试,缴纳的阻抗数据图所示12。再一次,不改变电阻部分和流速的变化。然而,低频圈似乎并不显著增加,无法很好地捕捉观察与电压、密度曲线。

4所示。结论

在这项工作中,一个anode-supported SOFC电池已经被测试和特征在不同温度和反应物流速。SEM / EDS分析表明发生了没有明显的元素相互扩散。此外,检测细胞保存其结构完整,没有损坏或分层。电压、密度和阻抗在不同的温度下的数据显示一个阿伦尼乌斯行为或温度激活过程。氢流速的变化表示担忧与低孔阳极功能层特别是在低氢含量。气流的变化利率也降低了电池的性能。

命名法

LSCF:	镧锶钴铁氧体
固体氧化物燃料电池:	固体氧化物燃料电池
倪:	镍
YSZ:	氧化钇稳定氧化锆
提交:	撒玛利亚掺杂氧化锆
扫描电镜:	扫描电子显微镜
EDS:	能量色散谱
缴纳:	开路电压
SLPM:	标准升每分钟
艾尔:	铝和氧化铝。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

工作提出了部分由美国能源部(DOE)通过国家能源技术实验室(NETL)奖。DE-FE0026168。特别感谢将罗伯特·坎宁安收集的SEM和EDS化学地图图片。

引用

1. n .问:明”,固体氧化物燃料电池技术特点及应用,”固态离子,卷174,不。1 - 4、271 - 277年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. m·e·林奇m . Liu k .模拟金属f . m . Alamgir崔和y“理性的固体氧化物燃料电池材料设计:新进步和工具,”材料今天,14卷,不。11日,第546 - 534页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. z詹和s . a . Barnett octane-fueled固体氧化物燃料电池”,科学,卷308,不。5723年,第847 - 844页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 杨m .刘崔y l . et al .,“直接辛烷燃料电池:一个有前途的运输力量,”纳米能量,1卷,不。3、448 - 455年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 美国b·阿德勒”机制和动力学多孔La1-xSrxCoO3——氧气减少δ电极。”固态离子,卷111,不。1 - 2、125 - 134年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. l·m·l·聂z Liu Liu Yang y,和m .刘“增强性能的,”电化学科学与技术杂志》上,1卷,不。1,50-56,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. n t·哈特:p·布兰登,m . j .天,和n . Lapena-Rey”功能梯度复合固体氧化物燃料电池阴极,”能源杂志,卷106,不。1 - 2,42-50,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 张咋,y、m . Liu”功能梯度由溶胶-凝胶/浆涂层蜂窝固体氧化物燃料电池阴极捏造,”固态离子,卷176,不。1 - 2,25-31,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. z邵和s . m .海丽,“高性能固态氧化物燃料电池的阴极为下一代,”自然卷,431年,第173 - 170页,2004年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. c .傅k .太阳:张x Chen和d .周”LSCF-SDC复合阴极的电化学特征的中间温度固体氧化物燃料电池,”Electrochimica学报,52卷,不。13日,4589 - 4594年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. m·沙阿·w·vooorhees和s . a . Barnett”时间性能变化LSCF-infiltrated固体氧化物燃料电池阴极:纳米颗粒粗化的角色,”固态离子,卷187,不。1,第67 - 64页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. d .叮,x, k .格迪斯郑胜耀Lai和m .刘”提高固体氧化物燃料电池阴极的性能通过渗透表面改性,”能源与环境科学,7卷,不。2、552 - 575年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. t . s . Zhang, j . Ma l . b .香港、美国h . Chan p .兴和j·a .窑”氧化铁是一种有效的烧结援助和ceria-based电解质的晶界清道夫,”固态离子,卷167,不。1 - 2、203 - 207年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. n .多个A . Banerjee Gupta, s .奥马尔和k . Balani”进展材料选择固体氧化物燃料电池技术:复习一下,”材料科学进展卷,72年,第337 - 141页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. s . c . Singhal“静止的固体氧化物燃料电池、移动和军事应用,”固态离子卷,152 - 153,405 - 410年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. z . Wang x, z Lv et al .,“与YSZ固体氧化物燃料电池的制备和性能/,区议会双层电解质”陶瓷国际第41卷。。3、4410 - 4415年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 江诗丹顿,c . Rossignol j。巴恩斯,大肠Djurado”界面稳定性的薄,密度CGO涂膜对YSZ固体氧化物燃料电池,”固态离子卷。235年,36-41,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. j .钱z道,j·肖,g .江和w·刘,“ceria-based固体氧化物燃料电池的性能改进yttria-stabilized氧化锆作为电子脉冲激光淀积阻挡层,”国际期刊的氢能源,38卷,不。5,2407 - 2412年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. t .松井,m . Komoto h . Muroyama k . Kishida h .农业和k .江”(洛杉矶,Sr)退化因素(公司、铁)O_{3 -δ}阴极/ Sm₂O₃首席执行官₂层间/ Y₂O₃-ZrO₂固体氧化物燃料电池的电解质系统操作,“能源杂志卷,312年,第85 - 80页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. t .松井,s . Li h . Muroyama k . Kishida h .农业和k .江“电化学性质的固体的解决方案形成(洛杉矶,Sr)(公司、铁)O_3−δ阴极/ doped-CeO₂层间/ Y₂O₃-ZrO₂固体氧化物燃料电池的电解质系统操作,“固态离子卷,300年,第139 - 135页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2018詹弗兰科DiGiuseppe和文卡特斯赫Boddapati。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。