Green Carbon | 俄罗斯科学院Alexander Nemudry院士：具有双层阴极的微管固体氧化物燃料电池

Green Carbon

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Green Carbon is an interdisciplinary journal promoting cutting-edge science and technology developments of green resources, green conversions, green processes and green products leading to low, zero or negative carbon emissions.

英文原题：Microtubular solid oxide fuel cells with a two-layer LSCF/BSCFM5 cathode

作者：Vladislav Sivtsev, Elizaveta Lapushkina, Ivan Kovalev, Rostislav Guskov, Mikhail Popov*, Alexander Nemudry

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背景介绍

Background

当前，化石燃料发电依然占据了全球能源消耗的80%以上，这一现象所带来的后果是CO₂排放量的不断增加，进一步导致温室效应和海平面上升等全球性危机。为了减缓CO₂排放，必须从集中式能源向分布式能源过渡，以减少化石燃料消耗量的占比。提高碳氢燃料的使用效率、扩大可再生能源和氢能发电占比，成为分布式能源转变的关键因素。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）可以将燃料高效的转化为电能，已经获得了越来越多的关注。SOFC以氢气为燃料，其产物仅为水，且不受卡诺循环的限制，能量转换效率可达80%。此外，SOFC还具备模块化组装、燃料灵活选择以及无需使用贵金属等优势，有望为特定场景提供自主的环保电源。

来自俄罗斯科学院固体化学与力学化学研究所的Alexander Nemudry院士于Green Carbon上发表题为“Microtubular solid oxide fuel cells with a two-layer LSCF/BSCFM5 cathode”的研究论文，该论文主要围绕微管固体氧化物燃料电池（MT-SOFC）展开，设计并开发了一种由具备高表面氧交换系数和高化学扩散系数的Ba_0.5Sr_0.5Co_0.75Fe_0.2Mo_0.05O_3-δ（BSCFM5）和传统的具有高电导率的La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ（LSCF）组成的双层阴极材料。通过这种设计，实现了微管固体氧化物燃料电池在850 ℃时的功率密度达到1.2 W/cm²。

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文章简介

Introduction

文章简介

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固体氧化物燃料电池（SOFC）的发展趋势包括：1）降低电池的工作温度；2）减轻电池材料和组件之间的相互作用从而延长电池器件的稳定性和使用寿命；3）开发新型电池材料，优化电池结构，降低器件的成本。然而，必须指出的是，工作温度的降低将不可避免地导致电极极化电阻的增加（这主要是由于阴极钙钛矿氧化物与气相之间氧交换速率的降低），从而对SOFC的发电效率产生负面影响。虽然，Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ（BSCF）在低温下具有较高的氧交换速率，极化损失较低，但是BSCF在含CO₂的气氛中会发生显著降解，当温度低于850 ℃时，BSCF常常会在晶界处产生新相，导致氧离子电导率降低，进而引起电催化活性降低。本文提出在BSCF的B位掺杂化合价较高的Mo离子，形成Ba_0.5Sr_0.5Co_0.75Fe_0.2Mo_0.05O_3-δ（BSCFM5）作为阴极材料，该阴极材料不仅具有较高的表面氧交换系数（R_O）和化学扩散系数（D_chem），而且在CO₂环境下能够保持稳定。此外，针对BSCFM5在温度低于850 ℃时电导率较低（仅40 S/cm）的问题，本文进一步在BSCF5阴极层外构筑了高电导率的LSCF（电导率约为300 S/cm），制备了BSCFM5-LSCF双层阴极，大大提高了电导率。双层阴极结构如图1所示。

图1. BSCFM5-LSCF双层阴极工作原理

本工作选用传统的氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）材料作为电解质，NiO-YSZ作为阳极材料，利用相转化法在NiO-YSZ阳极支撑层上进行制备，并在支撑层与电解质层之间插入阳极功能层，通过调整NiO/YSZ比例，成功实现多层结构之间热膨胀系数的匹配。通过在电解质与阴极之间插入Ce_0.9Sm_0.2O_1.95（SDC）缓冲层，以阻止电解质与阴极材料之间的化学反应。阴极部分由BSCFM5-SDC阴功能层和LSCF集电层构成双层阴极。其中，功能层具有高R_O和高D_chem的特性，集电层具有高电导率，这有助于促进阴极侧的氧还原反应。在阴极功能层中，通过引入40%的SDC，可以将三相界面扩展至整个电极（电池材料的化学组成和结构如图2所示）。最后经过烧结处理后，成功获得了完整的微管固体氧化物燃料电池（图3）。

图2. MT-SOFC的化学组成和多层结构示意图

图3. MT-SOFC的横截面结构图

在研究BSCFM5与LSCF的氧交换动力学过程中，作者采用了氧分压弛豫法。如图4所示，在所测量的氧分压范围内，BSCFM5表面的氧交换系数R₀和化学扩散系数D_chem均超过LSCF约两个数量级。由于所测得的动力学参数与阴极氧还原反应中的极化直接相关，因此，采用BSCFM5作为阴极功能层可以有效降低氧还原和氧离子向电解质表面扩散过程中的极化损失。

图4. BSCFM5和LSCF电极材料在不同氧分压气氛下的

（a）氧交换系数R₀和

（b）化学扩散系数D_chem

如图5所示，通过对比单层LSCF、BSCFM5和双层BSCFM5+LSCF三种不同阴极材料构成的微观燃料电池性能，在850 °C时，（BSGFM5+SDC）/LSCF双层阴极MT-SOFC功率密度可达1.2W/cm²，远高于单层电极构成的燃料电池性能。

图5. 三种不同阴极材料构成的燃料电池I-V曲线

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总结与展望

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在本研究中，作者成功研发了一种由Ba_0.5Sr_0.5Co_0.75Fe_0.2Mo_0.05O_3-δ （BSCFM5）和La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ（LSCF）构成的双层阴极材料。通过将BSCFM5与SDC结合作为阴极功能层，显著提高了氧化物与气相之间的氧交换速率，从而降低了阴极极化损失。此外，LSCF阴极集电层具有出色的电导率，有助于减少欧姆损失。由于这种双层电极材料之间产生的协同效应，微管燃料电池的输出功率得到了显著提升。

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作者

 Author

Alexander Nemudry 院士

Alexander Nemudry，教授、俄罗斯科学院固体化学与力学化学研究所所长、俄罗斯科学院通讯院士、亚太材料科学院院士、Green Carbon期刊编委会委员。主要从事纤维增强纳米复合材料、纳米结构陶瓷、具有氧离子-电子混合导电性的氧化物性能等方面的研究，已在Chem. Mater.，Chem. Eng. J.，Solid State Ionics和J. Membr. Sci.等期刊发表论文140余篇。担任Chemistry for Sustainable Development杂志副主编、Journal of Solid State Electrochemistry客座编辑，荣获俄罗斯科学院荣誉证书（2017年）、俄罗斯科学院西伯利亚分院荣誉证书（2019年）以及新西伯利亚州州长荣誉证书（2019年）。

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论文信息

Sivtsev V, Lapushkina E, Kovalev I, et al. Microtubular solid oxide fuel cells with a two-layer LSCF/BSCFM5 cathode[J]. Green Carbon, 2023, 1(2): 154-159.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2023.11.002

供稿：贺广虎 研究员

（中国科学院青岛生物能源与过程研究所）

编辑：Green Carbon 期刊中心

审核：Green Carbon 期刊中心

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关于

Green Carbon

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Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用、排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，打造多学科融合的国际一流学术交流平台。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。

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