铁酸镧基固体氧化物燃料电池阴极材料硫中毒测试的阻抗分析文献综述

 2022-11-28 17:49:18

铁酸镧基固体氧化物燃料电池阴极材料硫中毒测试后阻抗分析开题报告

随着世界经济总量和入口水平高速增长，能源作为经济和科技发展的基石，在社会进步中承担的作用越来越大。当前，化石能源依然在世界能源消耗中占主导地位，带来了诸如大气污染、酸雨和温室气体排放等环境问题。为了优化能源结构，我国正在加快建设清洁低碳安全高效的能源体系。SOFC是直接将燃料气体和氧气中的化学能转化为电能的全固态的能源转换装置。由于发电效率高，清洁无污染，可分布式发电等优点，而成为研究热点。尽管在日本和欧美，SOFC已经实现初步市场化，但是由于电池性能稳定性较低，成本较高，SOFC依旧没有实现大规模的实用化和普及化。SOFC在长期高温运行过程中，空气中微量SO2 (ppb级别) 能引起阴极材料性能衰减，导致电池长期稳定性降低。因此，二氧化硫中毒（以下简称为硫中毒）现象逐渐成为阴极材料性能衰减机制研究的热点。

铁酸镧基系列材料(LaSr)(CoFe)O3-delta;（LSCF）是已经商业化的阴极材料，该类材料是混合离子-电子导体（MIEC）,其电极反应过程如图所示：

图一 LSCF阴极材料的电极反应过程

电极反应过程：

  1. O2→O2ad
  2. O2ad →2Oad
  3. Oad 2e- →O2-
  4. O2- transport

其中ORR过程(包括O2在表面的吸附、解离、扩散)过程的快慢是由表面交换系数(Surface Exchange Coefficient, k)来表征。氧离子LSCF的体内传输快慢，用扩散系数(Diffusion Coefficient, D)来评价。

据报道[1-8]，LSCF在PPM浓度的SO2气氛中，会产生硫中毒现象。LSCF中A位Sr元素与SO2在高温下会与SO2发生，生成SrSO4，并析出Co-Fe-O化合物。因此，阐明硫中毒现象对于LSCF电极粒子表面的ORR过程以及LSCF体内氧离子传输的影响，可以更加深入理解SOFC阴极材料的硫中毒机制[9]。在本工作中，主要分析(LaSr)(CoFe)O3(LSCF)在不同温度下（923k、973K和1073 K）暴露于含有1ppm SO2空气时的阻抗谱，并评价硫中毒对于LSCF材料的氧表面交换系数和扩散系数的影响。

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  7. F. Wang, K. Yamaji, D. H. Cho, T. Shimonosono, M. Nishi, H. Kishimoto, M. E. Brito, T. Horita, and H. Yokokawa, ECS Trans., 50, 143 (2013).
  8. R. A. Budiman, S. S. Liu, K. D. Bagarinao, T. Ishiyama, H. Kishimoto, K. Yamaji, T. Horita, and H. Yokokawa, J. Electrochem. Soc., 166, F414 (2019).
  9. F. Wang, K. Yamaji, D. H. Cho, T. Shimonosono, H. Kishimoto, M. E. Brito, T. Horita, and H. Yokokawa, J. Electrochem. Soc., 158, B1391 (2011).
  10. 课题研究内容

主要研究内容有：以(LaSr)(CoFe)O3(LSCF)阴极为研究对象，熟练掌握使用ZView软件分析电化学阻抗谱图，理解硫中毒对于LSCF阴极材料的氧表面交换系数和扩散系数的影响因素。

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