高温固体氧化物电解水蒸气制氢氧电极/电解质界面微观层离机制

Solid oxide electrolysis cell (SOEC) is a kind of energy storage device that can convert electric energy and heat energy into chemical energy. The overall SOEC reaction for hydrogen production is simply the reverse of the solid oxide fuel cell (SOFC) reaction for power generation. The hydrogen production via SOEC is one of the most environmentally clean technologies for economic and efficient conversion of steam into hydrogen. The delamination (there emerges layers of separation phenomenon between oxygen electrode and electrolyte in the microstructure) of oxygen electrode/electrolyte interface is one of the main factors for degradation in SOEC. Therefore, it is very important for the development of SOEC to study the interface delamination mechanism and increase the stability. This project is combined with the electrochemical test, microstructure characterization, bonding force test and tail gas analysis to investigate the mechanism of LSM-YSZ oxygen electrode/YSZ electrolyte interface delamination in SOEC. To discuss the degradation rules of the SOEC operated at different operation conditions. Through the oxygen electrode interface delamination rules and delaminate morphology to clarify the failure behavior of oxygen electrode and failure mechanism of SOEC under the delamination behavior and mechanism. The structure model will be established, combining with the first principle calculations to investigate the oxygen electrode/electrolyte interface delamination mechanism, the results will provide the theoretical basis for improving the stability of interface.

固体氧化物电解池（SOEC）是将电能和热能转化为化学能的储能装置，其是固体氧化物燃料电池（SOFC）发电的逆过程，SOEC电解水蒸气制氢是一种清洁、高效的制氢方式。氧电极/电解质界面微观层离（在微观结构上，氧电极与电解质间出现部分层间分离现象）是引起SOEC性能衰退的主要原因之一，因此深入探讨界面微观层离机制，提高其稳定性对于SOEC发展意义重大。本项目拟采用电化学测试、微观结构表征、结合力测试、并结合尾气分析等各种方法研究SOEC高温电解水蒸气制氢实际运行中LSM-YSZ氧电极/YSZ电解质界面微观层离机理；探讨SOEC在不同运行条件下的衰退规律，通过氧电极界面微观层离规律及微观层离形貌等本质属性的研究，阐明在上述微观层离行为和机理作用下所发生的氧电极失效行为及电池的失效机制；建立结构模型，结合第一性原理计算深入研究氧电极/电解质界面微观层离机制，为提高界面稳定性提供理论依据。

能源和环境是目前世界各国共同关注的焦点问题。可再生能源能量的存储对未来可持续发展尤为重要，而氢能是一种无污染的可再生能源，将是未来十分具有竞争力的一种储能载体。SOEC是将电能和热能转化为化学能的储能装置，SOEC电解水蒸气制氢是一种清洁、高效的制氢方式。氧电极/电解质界面微观层离是引起SOEC性能衰退的主要原因之一，因此深入探讨界面微观层离机制，提高其稳定性对于SOEC发展意义重大。本项目按照研究计划执行，通过电化学测试、微观结构表征、尾气分析等各种方法研究了SOEC高温电解水蒸气制氢实际运行中LSM-YSZ氧电极/YSZ电解质界面微观层离机理；探讨了SOEC在不同运行条件下的衰退规律，通过氧电极界面微观层离规律及微观层离形貌等本质属性的研究，阐明了在上述微观层离行为和机理作用下所发生的氧电极失效行为及电池的失效机制。研究结果表明，在10cm×10cm的LSM电解池中，经过对比研究不同测试条件及不同运行时间后，层离主要发生在氢气/水蒸汽和空气的入口位置，其中氢气/水蒸汽入口处的层离要比空气入口处的更为严重。氧电极的界面层离会导致电化学活性区域的减少进而引起欧姆电阻的增大，最终产生SOEC的衰减。随着SOEC的运行，YSZ电解质上出现了LSM的纳米颗粒，LSM纳米颗粒在YSZ表面均匀的分布，主要是氧离子从YSZ到LSM晶粒的迁移与结合造成的。这种迁移与结合作用引起了LSM晶格的收缩，在LSM颗粒中间诱导产生了拉应力，因此在界面处产生了微裂纹与纳米颗粒。纳米颗粒的生成会损害氧电极/电解质界面，导致了LSM-YSZ在电解质的层离，尤其是在氢气/水蒸汽和空气的入口区域这些内部的氧分压较高的地方。此外，结合第一性原理，发现不同原子在LSM/YSZ界面上的高温相互扩散对材料及其界面的结构稳定性有显著影响。尤其是，发现位于ZrO2氧化物和LSM/YSZ界面附近的La和Sr取代缺陷显著改变了氧的传输，这导致了界面区域的压力积聚，最终形成层离过程。本项目的研究成果为提高界面稳定性提供了理论依据。