固體氧化物燃料電池(SOFC)低溫化進程的推進有利于加快SOFC商品化的步伐,而工作溫度的降低勢必增大電解質(zhì)材料的歐姆電阻和電極材料的極化阻抗,為電解質(zhì)材料和電極材料的開發(fā)帶來了不小的挑戰(zhàn)。從電化學(xué)性能及相關(guān)使用性能需求出發(fā),簡要綜述了電解質(zhì)材料、陽極材料和陰極材料的研究進展,指出了這些材料發(fā)展遇到的主要技術(shù)問題,并針對這些問題給出了可供考慮的改進方案和思路,對電池材料的性能優(yōu)化和新型電池材料的設(shè)計提出展望。 

【文章來源】：陶瓷學(xué)報. 2020年05期 北大核心

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

SOFC不同電解質(zhì)材料離子電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系

第41卷第5期余劍峰等：固體氧化物燃料電池材料的研究進展·617·碳氫燃料催化活性，其電子電導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、價格也較低，這主要由于金屬鎳具有導(dǎo)電和催化作用。常用的鎳基陽極為Ni/YSZ，該陽極材料中YSZ陶瓷相起著降低陽極膨脹系數(shù)、避免鎳顆粒長大和提供氧離子傳導(dǎo)路徑的作用。從圖2可知，金屬鎳含量達到30%，陽極中的鎳相之間連通，使得電導(dǎo)率突然增大，所以30%可以認為是鎳基陽極材料的導(dǎo)電閾值[56]。但是，鎳基陽極材料實際應(yīng)用還存在著諸多問題，比如碳沉積、硫中毒，低氧化-還原循環(huán)穩(wěn)定性和顆粒長大等。金屬鎳是很好的碳氫鍵裂解催化劑，以碳氫化合物為燃料將在鎳表面發(fā)生碳沉積而形成碳纖維，鎳表面和陽極中的空隙均會被碳堵塞，造成鎳的電催化活性急劇下降，電池性能衰減[57]。同樣，碳氫燃料都含有一定量的硫，硫化物在陽極的還原氣氛中形成硫化氫，硫化氫氣體進入陽極后，導(dǎo)致電池性能下降[58,59]。SOFC長期運行過程中，陽極要經(jīng)歷氧化-還原循環(huán)，當電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障造成燃料供應(yīng)中斷，空氣進入陽極，導(dǎo)致鎳被氧化成氧化鎳，恢復(fù)正常后氧化鎳又被還原成金屬鎳，但金屬鎳氧化成氧化鎳會產(chǎn)生70%固相體積增加，引起鎳基陽極材料的體積膨脹，恢復(fù)正常后，還原生成的金屬鎳由于容易燒結(jié)造成金屬鎳顆粒的長大，使得陽極難以恢復(fù)至原始狀態(tài)，而多次氧化-還原循環(huán)后會在內(nèi)部形成應(yīng)力，在電解質(zhì)內(nèi)部造成張力，導(dǎo)致電解質(zhì)薄膜開裂[60]。Ni/YSZ陽極中的Ni在高溫下長期工作容易發(fā)生晶粒長大，陽極與電解質(zhì)界面接觸面積隨之降低，使得陽極對燃料的電催化氧化反應(yīng)面積減小，造成電池性能衰退[61]。理論上，只要陽極附近的水蒸氣圖2多孔Ni/YSZ陶瓷金屬陽極中Ni占固相的體積百分數(shù)

數(shù)與陽極在1000℃總電導(dǎo)率的關(guān)系[56]Fig.2RelationshipbetweenvolumepercentageofNiinsolidphaseandthetotalconductivityofporousNi/YSZceramicanodeat1000℃[56]帶走碳的速率高于碳沉積的速率，就可以避免陽極積碳，也就是要具備一定的H2O:C比，但是，Ni基陽極的碳沉積速率很高，使得所需的H2O:C比很大，而如果在燃料氣中補入大量水蒸氣勢必顯著降低可使用的燃料濃度，降低SOFC的發(fā)電效率[62]。目前，主要有三種方式可以改善Ni-YSZ陽極的積碳問題。其一，通過優(yōu)化制備工藝控制積碳，如圖3所示，預(yù)先制備含有造孔劑(可以是石墨粉、淀粉、球形有機聚合物顆粒等)的YSZ電解質(zhì)漿料，再用流延工藝形成含造孔劑的YSZ和不含造孔劑YSZ多層電解質(zhì)，經(jīng)過高溫?zé)菩纬缮舷聦訛槎嗫坠羌芙Y(jié)構(gòu)、中間為致密結(jié)構(gòu)的YSZ電解質(zhì)，最后在YSZ骨架一側(cè)浸漬陽極金屬鹽溶液，另一側(cè)骨架浸漬陰極金屬鹽溶液，最終實現(xiàn)低溫共燒，通過電極微結(jié)構(gòu)的調(diào)控和溫度的控制，有效緩解了積碳問題[62]。圖3浸漬工藝制備復(fù)合組成電極材料示意圖[62]Fig.3Schematicdiagramofcompositeelectrodematerialpreparedbyusingimpregnationprocess[62]其二，引入部分金屬元素與Ni形成Ni-M合金(M=Cu,Co,Fe,Mn)，制備合金陶瓷陽極，可以顯著提升陽極的抗積碳和抗硫毒化能力[63-68]，如AzadehRismanchian等[69]用化學(xué)電鍍方式制備Cu-Ni/YSZ陽極，與Ni/YSZ陽極相比，鍍Cu后的陽極對CH4的催化氧化能力有所下降，這是因為Cu對CH4的裂解能力不如Ni，但陽極的長期工作穩(wěn)定性顯著提升，750℃在干燥CH4氣氛中穩(wěn)定運行138h，而Ni/YSZ陽極同樣條件下暴露在CH4氣氛中2h催化活性即顯著下降，且陽極有開裂趨?


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