水凝膠輔助的GDC化學擴散屏障用於耐用的固體氧化物燃料電池

【科研摘要】

在高溫下穩定執行對於固體氧化物燃料電池的商業化具有重要意義。特別地，在長期操作期間在陰極和電解質之間的介面處的相互擴散導致形成絕緣相，從而顯著降低電池效能。最近，

成均館大學

Wonyoung Lee

和

Doyoung Byun教授

團隊

採用一種簡單的溼法化學塗覆方法在La0。6Sr0。4Co0。2Fe0。8-O3-δ（LSCF）陰極之間製造了一個薄而緻密的Gd0。2Ce0。8O2-δ（GDC）擴散阻擋層。

明膠水凝膠基前驅體溶液和氧化釔穩定的氧化鋯（YSZ）電解質。透過簡單的旋塗方法制造緻密薄膜GDC，可以透過前體與水凝膠之間有機/無機複合材料的介面自組裝實現。

陽極支撐的具有水凝膠輔助GDC化學擴散阻擋層的單電池由於透過短而高度滲透的擴散途徑的快速離子傳導而顯示出改善的電化學效能，並在900°C加速熱處理100 h後保持了初始效能。防止陽離子在介面上相互擴散。相關論文以題為

A hydrogel-assisted GDC chemical diffusion barrier for durable solid oxide fuel cells

發表在《

Journal of Materials Chemistry A

》上。

【主圖導讀】

圖1

在不同的明膠與母體質量比下，在800°C退火的明膠基GDC膜的SEM影象：（a）3 wt％，0。2 M（0。12），（b）3 wt％，0。4 M（0。17）和 （c）3 wt％，0。6 M（0。35）。

圖2

薄膜形態的剖面圖和俯檢視，根據金屬離子濃度和6％的明膠濃度在1200°C退火的情況（從左起）為0。2、0。4、0。8和1。6 M。

圖3

0。8 M GDC前體溶液的UV-Vis光譜（a）不新增新增劑，（b）含PVP，（c）含明膠。來自（d和g）400，（e和h）800和（f和i）1200°C退火的明膠基薄膜（第一行）和PVP基薄膜（第二行）的橫截面SEM影象。

圖4

（a和e）分別是具有多孔GDC和緻密膜GDC的擴散阻擋層的單電池截面圖和（b和f）表面圖。（c和g）多孔GDC和緻密膜GDC的I–V曲線，以瞭解初始效能和穩定性。（d和h）在OCV條件下每個電池的阻抗譜和Bode圖。

圖5多孔GDC和緻密膜GDC在900°C下暴露100小時（加速條件）後的HR-TEM截面分析。對於多孔GDC，（a）橫截面影象，（b）線掃描和（c–f）每種陽離子和組合影象的Sr，Zr，Ce的ESD對映。對於緻密膜GDC，（g）橫截面影象，（h）線掃描和（i–l）每個陽離子和組合影象的ESD對映。

【總結】

開發了一種新的薄膜塗布技術，該技術使用基於明膠的GDC前體溶液處理緻密且光滑的2D層。明膠與陽離子之間的強相互作用導致均勻且緻密的膜形成。透過系統研究，透過改變有機材料與無機材料的比例，可以最佳化薄膜的形貌。由於最佳化的GDC薄膜沒有明顯的缺陷，因此可以成功地防止陽離子滲透和反應。因此，抑制了長期執行期間的Sr擴散，並且在長期執行後僅觀察到功率密度降低了2。4％，與傳統的粉末基阻隔層的效能相比，這是一個重大改進。對於工業應用，應考慮實際工作條件（例如工作溫度，工作時間和動態工作模式）進行進一步研究。此外，應測試具有均勻性和可重複性的較大電池的製造。

參考文獻

：

doi。org/10。1039/D1TA00507C

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