MC Tucker 等人：固體氧化物燃料電池陰極接觸材料的選擇

【引言】固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種新型的發電方式，與其他的電池不同，它是能量發生裝置，并且在能量轉換過程中不受卡諾循環的限制，SOFC 由于具有沒有 CO、NOx 等的污染，能量轉換效率高，系統設計簡單，造價低廉，性能穩定，可接受多種燃料等特點正日益受到各國的廣泛關注。固體氧化物燃料電池的工作溫度在 600～1 000 ℃，目前各國的研究重點是如何通過電極材料、電解質材料以及連接體材料的選擇和性能改進達到提高電池性能，降低電池工作溫度的目的。

【成果介紹】

MC Tucker 等人確定合適的陰極接觸材料（CCM）鍵合電連接LSCF陰極到Mn1.5 CO1.5 O4涂層441不銹鋼，在相對低溫900～1000℃下燒結，并合成和表征了多種CCM候選物。分別測定了導電性、熱膨脹系數（采用LISESE-L75膨脹儀測定）、燒結行為以及與LSCF或Mn1.5Co1.5O4反應的傾向。從這次篩選中，LSCF、LSCuF、LSC和SSC被選為有希望的候選。這些成分應用于LSCF和 Mn1.5Co1.5O4涂層 441不銹鋼樣片，并在800℃下進行200小時ASR測試。在區域特異性抗逆性試驗后，對試樣進行橫切分析，以便在CCM/LSCF或CCM/Mn1.5Co1.5O4界面間擴散，觀察到較窄的擴散帶。

【圖文導讀】

圖1：在SOFC電池和涂層不銹鋼互連之間放置CCM的示意圖。

圖2：“半裝配”試樣幾何形狀的示意圖。（a）CCM/MCO-141和（b）CCM/LSCF。

圖3：從Praxair購買的粉末的XRD跡線。從樣品盒中產生的峰用星號表示。

圖4：用GNP合成的粉末在800℃下粗化的XRD跡線。樣品盒中產生的峰用星號表示。

圖5：GNP合成LBC在各種溫度的粗化下的XRD跡線。

圖6：在表2列出的溫度下燒結的各種試樣棒的電導率的溫度依賴性。

圖7：各種CCM候選材料的熱膨脹系數（CTE）的溫度依賴性。

圖8：暴露于高溫后各種物理混合物的XRD跡線。對每種混合物的純組分的XRD跡線進行比較。（a）LSCF和MCO混合物在暴露于1000℃下10小時；（b）NCC和MCO混合物暴露于800℃下120小時；（c）SBSC和LSCF混合物暴露于1000℃下120小時。

圖9：暴露于1000℃下10小時，NCC與LSCF或MCO的物理混合物的SEM和EDS分析。（a）LSCF和NCC混合物的SEM圖像。箭頭指示EDS分析點的位置。（b）NCC和LSCF混合物中各種元素的EDS信號強度。（c）NCC和MCO混合物中各種元素的EDS信號強度。虛線表示LSCF/NCC或MCO/NCC邊界的位置。

圖10：用膨脹法測定各種CCM候選材料的燒結行為。為了清楚起見，在兩個圖（a）和（b）中表示出了組合物。（c）收縮率在900～1000℃范圍內與CCM鍵有關。

圖11：GSC的燒結行為。圖中的標記顯示了在900和1000℃下的初始燒結點和收縮率的確定。

圖12：在空氣中的800℃下的各種半組件的ASR。（a）CCM/LSCF和（b）CCM/MCO-141組件。（c）NCC/LSCF（黑色）和NCC/MCO-441（灰色）。

圖13：各種LSCF / CCM / MCO-441組件在800℃空氣中的ASR。

圖14：半組裝的SSC/MCO-44 1HALF ASR測試后的SEM圖像。

圖15：半組裝試樣ASR測試后的界面擴散的能譜分析（a）SSC/MCO、（b）LSC/MCO和（c）LSC/LSCF

【結論】

從SOFC陰極文獻中鑒定出候選CCM組合物的列表。篩選的候選物的電導率，燒結行為，CTE，并傾向于與MCO或LSCF反應。LSCF、LSCUF、SSC和LSC是本次研究的有希望的候選物。這些測試ASR上LSCF和MCO涂覆441。CCM/MCO - 441樣品的ASR比CCM/LSCF樣品大，顯示出較低的初始穩定性。因此，我們得出結論，在LSCF/CCM/MCO-141中的ASR是由MCO和Cr2O3控制的。在兩種基質上，LSC和SSC提供了低和穩定的ASR，雖然LSCF和LSCuF也是可以接受的。燒結到1000℃后，電性能是可以接受的。這些材料之間的進一步選擇將取決于CCM/LSCF和CCM/MCO界面的機械完整性。未來的工作將包括CM/LSCF和CCM/MCO-141界面粘附的機械測試，以及具有不同CCM組合物的全細胞的原位操作。

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