固体氧化物燃料电池阳极材料研究进展

以满足 阳极对 电导率 、 电催化性 、 学稳定性 、 化 导热 性、 微观结构和热膨胀系数等的要求 ， 还可 以使碳沉 积和硫 中毒的影响降至较低程度 。Ｎ 由于具有催化 ｉ 氢气氧化和碳氢化合物重整的电化学性能 ， 而被视为 金属陶瓷复合材料的首选金属［ ２ １ 。它与电解质材料形 成的复合材料可与电解质在热 力学性能上进行 良好
杂， 因此许多研究者都在探究电池中这一组元的性质
及其加工过程如何影响电池的性能。
１ ＯＦ Ｓ Ｃ对 阳极材料 性能的要 求
在ＳＦ Ｏ Ｃ中 ，阳极是燃料气体 （ Ｈ 或碳氢化合
物） 的氧化反应发生的场所 ， 因此用于制 备阳极的材
料需满足＿定要求。Ｓ Ｆ Ｏ Ｃ的阳极对于材料的要求妞下：
对阳极材料的性能提出了进一步要求 。碳氢化合物 （ Ｃ 如 Ｈ ）可 以直接作燃料 ，或 者与水蒸气混合在
响。实际上 ， ｉ Ｎ 基阳极也有一些缺陷 ， 它容易被硫毒
化， 并且可 以催化生成碳纤维的反应【 而这会导致 同 ，
碳沉积 ， 从而使镍粒子分散 。另外它会与一些含 Ｌ ａ
的电解质发生反应【 而且 Ｎ 颗粒在长期高温运行 ７ 】 ， ｉ
后发生的团聚现象也是此类材料的缺陷之一。 目前已经研究出一些方法来弥补这些缺陷。 其中 之一是降低 电池运行温度 。 Ｙ Ｚ电解质和 Ｎ／ Ｓ 在 Ｓ ｉ Ｚ Ｙ 阳极之间插入掺杂 ＹＯ 的 Ｃ Ｏ （Ｙ ） 。 ｅ 。 Ｏ 中间层所制得 Ｃ 的 电池可以直接氧化 Ｃ－，在 ６ ０ 其功率密度为 Ｉ ｈ ５ｏ Ｃ
（） ２必须有足够的电子电导率 ， 以降低有效 电阻 ；
（） ３ 由于 Ｓ Ｆ Ｏ Ｃ要经受热循环 ， 因此 阳极材料须 在高温还原气氛 中保持化学稳定 ， 物相稳定和微观结
ＳＦ） Ｏ Ｃ 属于第三代燃料电池 ， 中高温运行条件下 是在 直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效率 、 环境
２ ＯＦ 阳极 材 料 Ｓ Ｃ
通常 ， Ｈ 被认 为是燃料 电池的首选燃料气体 ， 但
（） １ 阳极的主要功能是作为 电催化剂 ， 催化通过
电解质传递过来的氧离子与燃料之 间发生的氧化反
收稿 日期 ：０１０—９ ２１—３０ 通讯联系人 ： 忻 ，－ ａ： ａｓ １ ａｏ ． 刘 Ｅ ｍ ｉ ｍ ｒ ３ ＠ｙｈｏ ｎ ｌ ６ ｃ
第３ ２卷第 ３ 期 ２ １ 年 ９月 ０１
《 陶瓷学报》
Ｊ ０ＵＲＮＡＩ ＯＦ ＣＥＲＡபைடு நூலகம் Ｉ ， ＣＳ
Ｖｏ ． ２． １ ３ Ｎｏ． ３ Ｓｅ ２０１ ｐ． １
文章编 号：０ ０ ２ ７ （０ １ ０ — ４ ３ ０ １０ － ２ ８２ １ ）３ ０ ８ — ８
固体 氧 化 物燃 料 电池 阳极材 料 研 究进 展
《 陶瓷学报） ０ １年第 ３期 ） １ ２
是由于 Ｓ Ｆ Ｏ Ｃ的运行温度较高 ， 碳氢化合物燃料也可
以被直接利用。 这一点十分重要 ， 因为在未来 ， 大部分
过程 中由于其会与阳极之间发生强烈的相互作用， 这
种液相烧结现象会对材料的电化学性能造成不 良影
Ｈ 来 自重整天然气 、 ２ 液态碳氢化合物或煤炭气化 ， 所 以燃料的直接利用技术有着巨大的效率优势 ， 而这也
中图分类号 ： Ｑ１ ４７ 文献标识码 ： Ｔ ７ ．５ Ａ
应， 电化学反应所产生和消耗的电子通过外部电路进
０ 引 言
固体氧化物燃料电池（ｏｉＯ ｉ ｕｌ ｅ ， Ｓ ｌ ｘ ｅ ｅ Ｃ ｌ 简称 ｄ ｄＦ ｌ
行输送 ， 从而产生 电流 ， 阳极材料必须具备对于 因此
某些具体反应的较高 电催化性能 ；
友好地转化成电能的全固态发 电装置 。 从可持续发展 角度来看 ，Ｏ Ｃ极具发展前景 ，被普遍认 为是在未 ＳＦ 来会得到广泛应用的一种燃料 电池 。 阳极是 Ｓ Ｆ Ｏ Ｃ的关键组件 ， 因为它为蕴藏在燃料 中的化学能转化为电能的过程提供了反应界面。 通常 来说 ， 阳极包含着 由具有一定渗透Ｊ 陛的金属或混合导 电氧化物材料 、 氧化物 电解质以及孔隙三部分所构成 的三相界面。在多孔结构 中的传输反应网络较为复
刘 忻
（ 上海交通大学机械与动力工程 学院燃料 电池研 究所 ， 上海 ２０ ４ ） ０ ２０
摘 要
主要对 Ｓ Ｆ Ｏ Ｃ阳极材料的最新研究进展进行综述。 先介绍 了 Ｓ Ｆ 阳极材料 的基本要求 ， 首 Ｏ Ｃ对 而后对 目前各种阳极材料在性 能方面的优势和不 足进行 了比较 ， 其中较为详细地 介绍 了传统的金属陶瓷阳极 和新型 的钙钛 矿型阳极 的研究进展情况 ， 最后对阳 极材料的未来发展 方向进行 了展望 。 关键词 固体氧化 物燃 料电池； 阳极 ； 陶瓷 ； 矿 金属 钙钛
（） ７在开 发新材料的时候， 除了以上要求外， 还要 考虑其性能的可重复 陛、 成本等因素。 ＳＦ Ｏ Ｃ中温化是 目前的主要研究方向 ， 而中温运 行的 Ｓ Ｆ Ｏ Ｃ需要新的阳极材料 以与中温 电解质相配 合。 一般来说 ， 电极材料的选择依赖于特定的电解质 ， 而合适的电极材料也会促进电解质的充分利用， 相关 的动力学机理在文献中已有过探讨Ⅱ ｌ 。
２１金 属 陶瓷复 合材料 ．
目前应用最为广泛 的 Ｓ Ｆ Ｏ Ｃ阳极材料是将具有 催化浯 陛的金属成分分散 到电解质材料基体中经烧
结而形成的复合材料 ， 简称金属陶瓷 （ ｅ ｅ） Ｃ ｒ ｔ。它可 ｍ
也有赖于较低的运行温度避免了碳沉积。 当用中温 电
解质 Ｃ Ｏ代替 Ｙ Ｚ时 ， Ｇ Ｓ 阳极的性能和稳定性会得到
构稳定 ， 包括不与 电解质、 电器发生相互作用 ， 集 保持
一
定孔隙率以降低浓差极化电阻 ， 保持良好的表面形
貌以减小与其它组元的接触电阻；
（） ４其热膨胀系数应与其他材料的热膨胀系数相
匹配 ， 从而保证接触界面的稳定 ；
（） ６ 对于阳极支撑的 Ｓ Ｆ ， Ｏ Ｃ 则要考察其机械强度；
０３Ｗ ／ ［ ．７ ｃ ｓ ｍ２。之所 以如 此 ， ｌ 既是 因为加 入了 Ｃ Ｏ层 ， Ｙ
ＳＦ Ｏ Ｃ系统 中进行内部重整 。 后者需要较高的运行温
度， 因为蒸气重整为吸热反应。 在实际操作 中， 通过外
部重整或者部分氧化 ，可 以为 Ｓ Ｆ Ｏ Ｃ提供碳氢化合 物、 氢气和一氧化碳的混合物。