固體氧化物燃料電池陽(yáng)極材料綜述

摘 要：固體氧化物燃料電池是一種全固體結(jié)構(gòu)的燃料電池，是當(dāng)前新能源開(kāi)發(fā)的主要方向之一。陽(yáng)極做為燃?xì)獾碾娀瘜W(xué)氧化場(chǎng)所對(duì)于電池性能發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：固體氧化物燃料電池 陽(yáng)極 固體結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TQ174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（b）-0051-01

固體氧化物燃料電池（SOFC）是繼AFC、PAFC、MCFC之后的一種全固體結(jié)構(gòu)的第四代燃料電池。1937年二氧化鋯陶瓷首次用于燃料電池，研制出世界上第一臺(tái)SOFC，標(biāo)志固體氧化物燃料電池的誕生。從此，以氧離子導(dǎo)體為固體電解質(zhì)的SOFC得到廣泛的研究。

SOFC陽(yáng)極是為燃?xì)馓峁╇娀瘜W(xué)氧化的場(chǎng)所，所以材料必須在還原氣氛中足夠穩(wěn)定，并具有對(duì)燃料的催化活性和足夠高的電子電導(dǎo)率。由于SOFC的操作溫度為中、高溫，材料要求與其它電池材料在操作溫度甚至更高的溫度范圍內(nèi)具有化學(xué)相容性和熱膨脹系數(shù)匹配性。此外，陽(yáng)極還必須具有強(qiáng)度高、韌性好、加工容易、成本低的特點(diǎn)。滿足以上條件的主要包括金屬、金屬陶瓷、氧化物陽(yáng)極、鎵酸鑭基電池陽(yáng)極。

1 金屬陽(yáng)極

由于SOFC的操作溫度很高，所以目前研究較多的金屬為Ni、Co、Fe及貴金屬材料。Setoguchi等人發(fā)現(xiàn)，Ni對(duì)于氫的氧化表現(xiàn)出最好的電化學(xué)活性[1]，且Ni具有較低的價(jià)格和較高的穩(wěn)定性，因此是目前研究最為廣泛的陽(yáng)極材料。金屬Co也是很好的陽(yáng)極材料，對(duì)于直接碳?xì)淙剂暇哂休^好的電化學(xué)催化活性，但由于價(jià)格較高，在SOFC中應(yīng)用較少。Fe雖然價(jià)格較低，但容易被氧化從而失去催化活性。

由于純金屬陽(yáng)極不能傳導(dǎo)O2-，燃料的電化學(xué)反應(yīng)只能在界面發(fā)生。且金屬陽(yáng)極同電解質(zhì)的熱膨脹匹配性相差較大，加熱冷卻循環(huán)多次后，容易發(fā)生電極剝落。另外，高溫下電極的燒結(jié)、氣化現(xiàn)象都會(huì)嚴(yán)重影響電池的工作性能。

2 金屬陶瓷陽(yáng)極

金屬陶瓷復(fù)合材料是為了克服金屬陽(yáng)極遇到的問(wèn)題而發(fā)明的新型材料。是在純的金屬中摻入高氧離子電導(dǎo)物質(zhì)得到的，可以減輕燒結(jié)現(xiàn)象和改善熱相容性。同時(shí)，摻入的高氧離子電導(dǎo)率物質(zhì)可以增加電極的氧離子電導(dǎo)率，使反應(yīng)活性區(qū)擴(kuò)展到電極內(nèi)部，提高電極的活性。

金屬Ni常與氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯混合制成多孔金屬陶瓷Ni-YSZ，是目前應(yīng)用最廣泛的高溫SOFC陽(yáng)極材料。Cu對(duì)于直接碳?xì)淙剂暇哂辛己玫目狗e碳作用。由于Cu是一種惰性金屬，催化活性不足以催化C-C鍵的斷裂和形成，從而減輕了碳沉積的現(xiàn)象。R. Cracium[2]等在YSZ基體中用Cu取代Ni后，獲得了與Ni-YSZ陽(yáng)極材料相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

此外，人們也嘗試過(guò)用其它金屬來(lái)代替Ni。Co在還原環(huán)境下性能穩(wěn)定，不易被氧化，有較好的催化活性，并且對(duì)硫有更好的耐受度，所以可以用Co代替Ni與電解質(zhì)材料形成金屬陶瓷陽(yáng)極。但由于價(jià)格昂貴，不適合商業(yè)化運(yùn)作。相比之下，Ru-YSZ陽(yáng)極更具優(yōu)勢(shì)，Ru的熔點(diǎn)高，性能穩(wěn)定，不易燒結(jié)，并且對(duì)碳?xì)淙剂洗呋钚愿?，反?yīng)后沒(méi)有碳沉積。Minoru Suzuki等報(bào)道，以Ru-YSZ為陽(yáng)極的電池在1273K下最高功率密度可達(dá)1.55W·cm-2。

3 氧化物陽(yáng)極

混合導(dǎo)體全稱是離子電子混合導(dǎo)體，是優(yōu)異的中溫陰極材料，同時(shí)也是新興的電池陽(yáng)極材料。該材料中，氧離子和電子都是可以移動(dòng)的，氧離子可以直接傳到陽(yáng)極顆粒，電子也能迅速傳到連接體，三相界區(qū)域大大增加。在直接碳?xì)淙剂现?，氧化物活性不足以促使C-C鍵的形成，因此該陽(yáng)極材料不易發(fā)生碳沉積，和硫中毒。

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物是一種可能的固體氧化物燃料電池陽(yáng)極，其化學(xué)簡(jiǎn)式是ABO3，簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣，空間群為Pm3m。該材料具有高度的穩(wěn)定性，有可能避免由于電池啟動(dòng)過(guò)程中氣氛轉(zhuǎn)換造成的電極相變，簡(jiǎn)化電池啟動(dòng)過(guò)程，延長(zhǎng)電池壽命；鈣鈦礦材料還可能優(yōu)化出與電解質(zhì)無(wú)反應(yīng)并具有相近熱膨脹系數(shù)的電極，提高電池的穩(wěn)定性和抗硫能力。因此高穩(wěn)定性、高活性的鈣鈦礦型陽(yáng)極材料的開(kāi)發(fā)是一個(gè)極有意義的課題。

4 鎵酸鑭基電池陽(yáng)極

鎵酸鑭系列電解質(zhì)是最近報(bào)道的一類優(yōu)異的中溫電解質(zhì)材料。研究與鎵酸鑭材料相匹配的陽(yáng)極材料一直是該類燃料電池的熱點(diǎn)。最近Wang[3]等報(bào)道的Ni-Fe-LSGMC8.5復(fù)合陽(yáng)極組成的Ni-Fe-LSGMC8.5/LSGMC5/SSC-LSGMC5單電池以氫為燃?xì)?，?073K的功率輸出可達(dá)1.26W·cm-2。以二甲醚為燃料時(shí)，該陽(yáng)極材料對(duì)應(yīng)的單電池在1073K下的功率輸出可達(dá)0.99 W·cm-2。電池長(zhǎng)期運(yùn)行后表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，且電沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的積碳。Ishihara等制備的陽(yáng)極支撐型的Ni-Fe-SDC/LSGM-SDC/SSC單電池以氫為燃?xì)?、?73K的功率輸出可達(dá)3.27 W·cm-2。

參考文獻(xiàn)

[1] S. P. Jiang. in “Science and Technology of Zirconia V” [C] edited by S. P. S. Badwal， M. J. Bannnister， R. H. J. Hannink， Technomic Publishing Co.， Lancaster， PA.， 1993： 819.

[2] R.Cracium，S.Park，R.J.Gorte，J.M.Vohs，C.Wang，W.L.Worrell.A novel method for preparing anode cermets for solid oxide fuel cells[J].J.Electrochem.Soc.，1999，146（11）：4019-4022.

[3] 高潔，王世忠，賀瓊.Ni-Fe-LSGMC8.5復(fù)合陽(yáng)極的研究[J].電池，2006（4）：238-270.endprint