浅析SOFC性能衰减的材料因素_高克卿VIP专享VIP免费

固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）是将化学能直接转化成电能的全固态化学发电装置，是一种能量转化率高、噪声低、污染少的清洁高效的能源系统.欧美日本等发达国家很早就开始研究固体氧化物燃料电池.如SiemensWest-inghouse公司于上世纪60年代开始研究SOFC[1]，上世纪90年代采用电化学气相沉积法（Electro-chemicalVaporDeposition，EVD）制造的圆筒形SOFC，经历7万小时的安全运转，系统的衰减率为0.1%·(kh)-1（每1000h发电性能降低0.1%），表现出良好的耐久性能[2].然而，EVD法制备的SOFC成本高，难以实际应用.长期以来，降低成本成了此项研究的主要课题.到目前为止，降低成本大体上有三个途径：1）降低材料成本———可降低工作温度的新材料；2）降低制造工艺成本———新工艺；3）提高单位面积效率———高效率.经过了几十年的探索积累，欧美日本等国家的SOFC已进入商品化阶段，家用小型SOFC已开始实证运行.然而，使用过程中SOFC性能的衰减又成为亟待解决的问题.就其影响因素而言，大体可分为工艺、设计和材料三大方面.SOFC由电解质、阳极（燃料极）、阴极（空气极）、连接体（Interconnect）或双极板（BipolarSepa-rator）和密封材料等组成.SOFC电池堆局部单元结构及以氢气为燃料的发电过程如图1所示[3].对此，可根据SOFC发电装置的整体环境及其工作状态等方面，解析SOFC性能衰减的材料因素.如图1所示，从外部连续不断地提供空气和燃料，空气极上发生氧得电子的还原反应，燃料极上发生氢（燃料）失电子的氧化反应，这一电化学反应是在电解质/电极/气体构成的三相界面上实现的.伴随着空气和燃料的连续提供，空气和燃料中以及它们的供给系统夹杂的化学物质将被引入电池内，这些外部物质将对三相界面的电化学反应产生影响，甚至导致电池性能劣化.据图1可知，空气电极和燃料电极内氧的化学势梯度不大，有浓差过电位和反应过电位产生；而连接体及电解质内氧的化学势梯度很大.因此，连接体及电解质在空气和燃料的氛围中，材料自身及材料相互间都需具有高的化学稳定性.也就是说，SOFC材料间的相互扩散和相互反应是引起电池性能劣化的重要原因[3].1SOFC材料在氧化还原气氛中的化学稳定性（固-气界面）对SOFC的电解质材料，要求它能在工作温度范围内，于氧化与还原气氛（氧的化学势梯度很大）中表现出高的离子传导率和低的电子传导率及良好的化学稳定性.其中电子、离子传导率的大小是决定SOFC电解质的膜厚、电池效率的重要依据[4-5].Xiong等[6-8]确立了固体氧化物材料的电子传导测定技术，深入研究了电解质材料的电子传导性，证实了YSZ（氧化钇稳定氧化锆）电解质材料在1273K温度下，氧分压为lg(PO2/MPa)=-1~-25范围内的电子传导性[6,9]，也说明YSZ较高的稳定性.收稿日期：2011-12-09，修订日期:2012-01-30*通讯作者,Tel:(86-451)86413721,E-mail:ypxiong@hit.edu.cn国家自然科学基金项目（No.51072040）和国家973计划项目（No.2012CB215400）资助电化学JOURNALOFELECTROCHEMISTRY第19卷第2期2013年4月Vol.19No.2Apr.2013文章编号:1006-3471(2013)02-0110-05浅析SOFC性能衰减的材料因素高克卿，刘晓天，赵二庆，樊丽权，熊岳平*(哈尔滨工业大学化工学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要：从SOFC工作状态出发，分析了材料在氧化还原气氛中的固-气界面化学稳定性、材料间固-固界面的扩散与相互反应的特性，以及外部化学物质的介入对三相界面反应的干扰等三方面因素对电池性能可能产生的影响.作者认为，注重探究实用的SOFC电池性能衰减材料因素有助于我国SOFC电堆的研制.关键词：衰减；固-气界面；固-固界面；三相界面中图分类号：TM911.4文献标识码：A高克卿等：浅析SOFC性能衰减的材料因素第2期图1SOFC电池堆的部分构造[3]Fig.1PartialstructureofSOFCstack[3]而对添加Yb、Y、Gd、Sm、Nd、La等元素的CeO2系列材料的电子传导性测定，则仅限在氧分压大于lg(PO2/MPa)=-10(973K)时[8-11].这是因为在恒电压极化下，当氧的分压在低于lg(PO2/MPa)=-10(973K)时，Ce4+离子的还原造成电流不能达到稳态，致使电子传导性难以准确测试.这一现象揭示了CeO2系列材料在973K还原性气氛中的不稳...