关于高湿条件下SOFC中金属Ni氧化劣化的研究
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摘 要：本研究中，在系统后端（具有高燃料利用率的运行条件）进行了发电测试，考察了发电性能的变化和劣化机理，明确了高燃料利用率下的运行指南，有助于提高SOFC系统的效率。
关键字：固体氧化物燃料电池（SOFC）、高湿条件、Ni氧化劣化、高燃料利用率、电解质支持型电池
Ni被广泛用于固体氧化物燃料电池（SOFC）的燃料极。由于燃料极生成反应物水蒸气，因此随着燃料减少，在系统后端，水蒸气浓度增加，氧分压升高，易导致发生NiO和Ni(OH)2的氧化劣化。先行研究发现，在阳极Ni暴露于高氧分压下的循环运行期间1，或当提供高湿氢气时，传导路径破坏，导致电池性能下降。本研究中，在系统后端（具有高燃料利用率的运行条件）进行了发电测试，考察了发电性能的变化和劣化机理。此外，明确了高燃料利用率下的运行指南，有助于提高SOFC系统的效率。
使用以ScSZ为电解质、NiO-ScSZ为阳极、LSM-ScSZ为阴极的电解质支持型电池，工作温度：800℃，阳极提供H2（20cc/min）+H2O（80cc/min）、阴极提供Air（150cc/min）作为燃料，进行发电测试。通过热力学平衡计算软件HSC计算预想发生Ni氧化的条件，并在恒定的电池电压条件下进行100h的发电测试，以保持阳极的氧分压恒定。使用SEM-EDX和FIB-SEM观察并分析发电测试前后的IV特性变化以及测试后电池阳极的微观结构。
根据HSC得到的相稳定状态图，将Ni和NiO稳定共存临界的氧分压和空气的氧分压代入理论电动势方程，得到了0.701V的阳极电位。
首先，为了不降低该值，在0.6V的电池电压下进行了100h的发电测试，实现了如图1（a）所示的稳定发电。阳极的电阻前后没有变化，并且也没有观察到结构变化。由此认为，正如理论所说，Ni未发生氧化。
然后，为了在临界值附近发电，在0.5V的电池电压下进行了同样的测试。如图1（b）所示，在时变测量中，阳极电位发生了振荡。振荡时，阳极的欧姆电阻增大，设想会发生Ni氧化。然而，在发电测试前后的IV中，阳极的电阻几乎不变，并且发电时的Ni氧化发生在表面。虽然通过结构观察证实了Ni发生了轻微聚集，但是根据重建图像显示，游离的Ni很少，不会导致传导路径的破坏。
(a)
(b)
图1：在恒定电池电压（a）0.6V、（b）0.5V的情况下，以80％加湿的氢气为燃料的电池电压和阳极电位。
参考文献：
(1) M. Hanasaki, C. Uryu, S. Taniguchi, Y.Shiratori, and K. Sasaki, ECS Transactons, 57(1) 691-697 (2013).
(2) T. Matsui, R. Kishida, J. Kim, H. Muroyama, and K. Eguchi, J. Electrochem. Soc. 157(5) B776-781 (2010).
翻译：李释云
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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