痕量空气污染物导致的阴极中毒仍是高温电化学系统长期稳定性面临的主要问题。我们提出了一种利用吸气剂减缓阴极退化的新方法，该方法可在空气污染物进入电化学活性堆叠区域之前，在高温下将其捕获。
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摘要
摘要
固体氧化物燃料电池（SOFC）中阴极的降解问题仍是影响其长期性能稳定性和运行可靠性的主要挑战。在长期暴露过程中，空气中气相铬物种的存在会导致阴极与电解质界面处形成不希望的化合物，从而阻碍氧还原反应（ORR），显著降低阴极性能。我们已证明一种新颖的方法，即使用铬捕获剂（chromium getters）在气相铬物种进入阴极腔之前将其捕获，从而减轻阴极降解。这些低成本的捕获材料由碱土金属和过渡金属氧化物合成，并涂覆在堇青石蜂窝状基底上，适用于SOFC发电系统。所制备的捕获材料在含铬蒸气的湿化空气气氛中经过500小时的铬挥发测试筛选。优选的捕获材料进一步通过电化学测试进行了验证。通常，在850 °C下测量SOFC（镧锶锰氧化物（LSM）ǁ 氧化钇稳定氧化锆（YSZ）ǁ 铂）在有无铬捕获剂条件下的电化学性能。在包含捕获剂的100小时电池测试中，电化学性能保持稳定；而在无铬捕获剂的情况下，电池性能在10小时内迅速下降。奈奎斯特图分析表明，在电池运行的前10小时内，极化电阻显著增加。对测试后SOFC及捕获材料的表征结果表明，铬捕获对缓解电池性能退化具有高效性。
引言
固体氧化物燃料电池（SOFC）发电系统是一种高温直接电化学能量转换装置，能够以多种化石燃料和可再生能源高效发电，是一种环境友好的能源技术。SOFC 技术可应用于集中式和分布式发电领域1。该技术依赖于将燃料中储存的化学能通过电化学方式直接转化为电能。SOFC 具有诸多优势，包括高能量转换效率、高品质余热、易于模块化设计，以及零或极低的碳排放2。为了获得所需的输出电压，多个独立的 SOFC 单电池以串联或并联方式连接（即 SOFC 电堆）。SOFC 电堆由致密电解质、多孔电极、连接体（IC）和密封材料等组件构成3,4。相邻电池的阳极和阴极通过连接体（IC）相连，连接体不仅作为隔离层防止氧化剂与燃料混合，同时还为相邻的阳极和阴极提供电连接5。
数十年来材料工程领域的研究与开发不断进步，使得固体氧化物燃料电池（SOFC）的工作温度得以降低，从而可以用成本较低的不锈钢合金替代陶瓷材料，用于制造电化学活性电池和电堆组件以及电站辅助系统（BOP）子系统。商用的铁素体和奥氏体不锈钢因其成本低、热膨胀系数（CTE）匹配，以及在高温工作条件下具有良好的抗氧化和耐腐蚀性能，已被广泛用于系统组件的制造6
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方案
1. 铬吸气剂的合成
- 采用常规共沉淀法，使用碱土金属和过渡金属氧化物盐合成前驱体粉末，如图116所示。
- 将50.33 g硝酸锶Sr(NO3)2和43.97 g六水合硝酸镍Ni(NO3)2·6H2O溶于100 mL去离子水中，配制2.4 M的储备溶液。
- 取9 mL 2.4 M的Sr(NO3)2溶液与7 mL 2.4 M的Ni(NO3)2·6H2O溶液混合，搅拌并加热至80 °C。
- 加入30 mL 5 M的NH4OH溶液，调节pH至8.5以实现沉淀，随后将溶液置于干燥烘箱中干燥，确保水分完全蒸发，直至观察到蓝色蜡状化合物。用去离子水洗涤 粉末，通过过滤去除残留的硝酸铵。最后，在120 °C下干燥粉末2小时。
注：此步骤将生成用于锶镍氧化物（SNO）吸气剂的前驱体粉末。
- 将粉末溶于水中以制备浆料。
- 将堇青石基底浸入浆料中进行浸涂，随后在空气中约120 ....
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结果
铬蒸腾实验是一种用于筛选铬捕获剂的筛选测试。采用铬蒸腾装置来验证铬捕获剂在固体氧化物燃料电池（SOFC）运行条件下的性能。实验在存在铬捕获剂的情况下进行，条件为850 °C、加湿（3% H2O）空气环境中持续500小时。在铬蒸腾测试期间的目视观察表明，在无捕获剂的情况下，出口弯管在500小时内出现明显变色。然而，在铬源附近放置捕获剂后，出口弯管未出现变色现象。这表明该捕获剂在典型的SOFC运行条件下能够有效捕获所有进入的气相铬物种。为了验证铬的捕获效果并理解其捕获机制，对测试后的捕获剂进行了剖切，并在扫描电子显微镜（SEM）下进行观察。还进行了详细的能谱分析（EDS），以测量捕获剂中心通道内铬元素（质量分数，wt.%）的分布情况（如图2b所示）。EDS元素分布结果显示，大部分铬（wt.%）被截留在距捕获剂入口前4000 µm的范围内。SEM-EDS数据进一步表明，在蒸腾测试过程中，捕获剂的中部和出口区域不含或仅含可忽略量的铬。
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讨论
实验结果清楚地表明，在长期的铬蒸腾测试和电化学测试过程中，铬捕获剂具有显著的有效性。捕获剂的存在成功减轻了电极的污染，否则将导致极化电阻迅速增加以及电化学性能的退化。
随着水蒸气浓度（湿度水平）的增加，氧化铬生成气相铬物种的过程更易发生并得到增强16。阴极空气中的水含量维持在3%，代表室温下的加湿与饱和状态。本研究选择850 °C的高温电池暴露条件，以验证所制备的铬捕获剂的有效性。
为了合理设计铬捕获剂，第一步是确定潮湿空气环境中存在的各种铬物种。热力学计算表明，在干燥空气和加湿空气中，铬蒸气物种的平衡分压存在显著差异。在干燥空气中高温条件下，CrO3 是主要的气态物种，而在高温潮湿空气中，水合氧化物如 CrO2(OH) 和 CrO2(OH)2 被确定为主要存在的物种15。在所有铬蒸气物种中，CrO2(OH)2
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披露
作者无任何利益冲突可披露。
致谢
作者感谢美国能源部（US DOE）通过联邦资助编号DE-FE-0023385提供的资金支持。感谢与美国国家能源技术实验室的Rin Burke博士和Shailesh Vora博士进行的技术讨论。感谢LG燃料电池公司（俄亥俄州坎顿）的Amit Pandey博士以及太平洋西北国家实验室（华盛顿州里奇兰）的Jeff Stevenson博士和Matt Chou博士在长期性能测试验证方面提供的帮助。作者感谢康涅狄格大学提供的实验支持。感谢Lichun Zhang博士和Chiying Liang女士在技术讨论及实验方面提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Sr(NO3)2 | Sigma-Aldrich | 243426 | 捕获剂前驱体材料 |
| Ni(NO₃)₂3)2-6H2O | Alfa Aesar | A15540 | 捕获剂前驱体材料 |
| NH4OH | Alfa Aesar | L13168 | 捕获剂前驱体材料 |
| Pt油墨 | ESL ElectroScience | 5051 | 电流收集膏 |
| Pt导线 | Alfa Aesar | 10288 | 电流收集导线 |
| Pt电极 | Alfa Aesar | 40935 | 电流收集器 |
| Cr2O3 粉末 | Alfa Aesar | 12286 | 铬源 |
| 硝酸（HNO₃）3) | Sigma-Aldrich | 438073 | 铬提取 |
| 高锰酸钾（KMnO₄）4) | Alfa Aesar | A12170 | 铬提取 |
| LSM浆料 | 燃料电池材料 | 18007 | 阴极 |
| YSZ电解质 | 燃料电池材料 | 211102 | 电解质 |
| 氧化铝纤维板 | Zircar | GJ0014 | 捕获剂基底 |
| Ceramabond 膏体 | AREMCO | 552-VFG | 用于电池密封 |
| ICP-MS（7700s） | 安捷伦 | NA | 用于 Cr 分析 |
| 恒电位仪（VMP3） | 生物逻辑 | NA | 用于 EIS/I-t 测量 |
| FIB（Helios Nanolab 460F1） | FEI | NA | 纳米样品制备 |
| TEM（Talos F200X S/TEM） | FEI | NA | 用于成分分析 |
参考文献
- Singh, P., Minh, N. Q. Solid oxide fuel cells: Technology status. International Journal of Applied Ceramic Technology. 1, 5-15 (2005).
- Stambouli, A. B., Traversa, E. Solid oxide fuel cells (SOFCs): a re....
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重印与许可
