固体氧化物燃料电池电解质的电致扩散机理研究

The degradation of solid oxide fuel cells (SOFCs) was considered to be mainly contributed by the decay of electrodes with fine structures. Efforts were made to develop novel electrodes or stable their chemical compounds and structures. Yet it is also noted by few electrode or whole cell tests that driven by the working current, metal elements diffuses into the electrolyte. The electrical induced diffusion could change the microstructure of the electrode‒electrolyte interface, electrically short-cut the electrolyte, the metal concentration in the grain boundary not only blocks the oxide ion transfer, but also reduces the strength of the electrolyte. Little is known about how the electrical induced diffusion initials, nor its pattern and mechanism. By investigating the content and microstructure of electrode‒electrolyte interface and the change of electrochemical performances, the diffusion mechanism will be uncovered, and methods of choosing electrode materials with good electrolyte-compatibility can be provided.

固体氧化物燃料电池（SOFC）长期工作的衰减通常被认为是由具有精细结构的电极劣化带来的，因此一般通过开发新型电极和稳定电极成分和微观结构来降低电池的衰减。然而，也有电极和全电池的测试发现，在电流的作用下，来自电极的金属元素会向电解质内扩散聚集。这种电致扩散会改变电极‒电解质界面的微观形貌，在电解质内形成电子短路通道，在电解质的晶界处富集，不仅阻碍氧离子传导，也会降低电解质强度。目前，这种电致扩散产生的原因和机理尚不完全明确。本项目将通过研究电流作用下电极‒电解质界面和组分以及由该扩散引起的电化学性能的变化，揭示由工作电流导致的元素扩散机制，及其对 SOFC电解质衰减的影响，为筛选与电解质具有良好相容性的电极材料提供依据。

固体氧化物燃料电池（SOFC）以高温氧离子导体为电解质，电极元素的扩散可能会对电解质的电化学和机械性能存在影响，本课题研究了不同的典型电极在工作电流作用下与电解质的扩散情况。其中贵金属Pd电极没有观察到扩散行为；陶瓷电极中，Sr元素存在热作用下的自发扩散，而Mn元素在电流作用下会沿晶界向电解质中扩散，扩散程度与极化电流大小和极化时间正相关；传统阳极的Ni没有向电解质中的扩散行为，但可以直接使用碳作为燃料的液态金属阳极SOFC的典型阳极Sb及其氧化物会沿晶界腐蚀GDC电解质并导致电解质晶粒的脱落，其中液态Sb的扩散深度比液态Sb2O3更深，在极化电流的作用下，Sb及其氧化物的扩散速度会显著加快，但与固态阳极不同的是，随着Sb阳极向电解质内的扩散，有效的电解质厚度逐渐降低，使得电池的欧姆阻抗减小，电池性能反而逐步提升。在SOFC全电池测试中，使用Pd作为电极的电池经历4000小时工作，没有发现电解质出现异常，而外电场激励电流的半电池测试中，电解质基体在短期内既表现出发黑的现象，且强度随电流增加和极化时间延长而下降，且表面硬度上升，经XPS分析表明该变化是由电流驱动下的氧离子定向迁移产生偏聚及结构缺陷导致的。在陶瓷阴极电池的半电池测试中，除氧离子迁移外，Mn元素沿晶界的扩散也使得电解质的断口形貌与未经历极化的电解质相比具有更多的沿晶断裂特征，并由于晶粒间的结合力降低，电池的强度下降。