固体氧化物燃料电池运行初期电化学性能演变机制

摘要

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)是一种清洁高效的发电装置,其运行中的性能衰减受到众多因素的影响,如何分辨这些因素的贡献、并在此基础上确定衰减的主导因素,对于更有针对性地提升SOFC的运行寿命至关重要.广泛的测试结果表明,SOFC的电化学性能在运行初期(约前100 h)会发生最为显著且复杂的变化,但是对其演变机制还没有形成清晰的认识.本工作基于电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)分析方法分别研究了工业尺寸电池(100 cm2)和纽扣电池(0.45 cm2)在运行初期的电化学性能演变规律,得到了关于电池性能和电极微观结构演变机制的一致性规律.电池在运行初期依次经历活化阶段和老化阶段:活化阶段阳极孔隙率增加、气相扩散过程改善,电池性能逐渐上升;老化阶段阳极Ni颗粒发生烧结团聚,有效三相界面长度显著降低,阳极界面反应过程劣化,电池性能逐渐下降.各阶段的持续时间、性能变化幅度会受到电池制备工艺的影响.本工作提出的运行初期电化学性能演变机制能够为进一步研究SOFC的长期稳定性奠定基础.