固体氧化物燃料电池性能衰减机制与控制的研究

固体氧化物燃料电池（简称SOFC）性能衰减是制约SOFC发展的瓶颈课题。本课题研究电解质材料、电极材料在工作状态下的功能变化引起SOFC性能衰减的机理。研究电解质材料与电极材料界面间的阳离子的扩散、迁移及化学反应行为对电化学性能的影响；研究界面间阳离子的扩散、迁移与晶粒、晶界的关系；并依据热力学理论，研究推测长期工作对电池性能的影响，进而，确定最佳的材料组合，抑制界面过程引起的电池性能衰减，设计、修饰电极三相界面，抑制界面过程；研究燃料含有的外部化学物质及空气中污染物质引起的电池性劣化的机理。在此基础上，深入研究电化学反应场所即电解质/电极/气体构成的三相界面的劣化现象，将电化学现象与电极和三相界面微细结构紧密结合，研究设计高性能电极，提高电极耐久性能，探求克服化学因素引起劣化的途径与方法，由此，为我国SOFC的应用性开发研究增添基础依据。

固体氧化物燃料电池（简称SOFC）在使用过程中存在的性能衰减问题是制约其实际应用的瓶颈之一，研究性能衰减机制与有效控制衰减现象具有很重要的理论价值和现实意义。SOFC性能衰减的成因大体可分为工艺、设计和材料三大影响因素。本课题从SOFC材料方面着手研究，初步研究了电解质材料、电极材料在发电工作状态下的性能变化及电解质材料与电极材料界面间的阳离子的扩散、迁移及化学反应行为，分析了引起SOFC性能衰减的材料因素；探究了外部化学物质的引入对三相界面的影响反应；设计制备了形貌可控的一维纳米微观结构电极材料，表现出了良好的长期稳定性，从而有效控制了SOFC的性能衰减现象。本课题具体完成的研究工作如下：.（1）SOFC电解质材料自身的稳定性研究. 通过溶胶凝胶法制备了La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ (LSGM)材料，通过恒电流500mA极化120h的方法来测定该电解质材料的长期稳定性，研究结果发现晶界处有明显的物质析出，在晶体表面也同样的有小的颗粒析出，从而首次发现了电流作用下的LSGM电解质材料晶体结构所发生的变化。恒电流极化作用下的GDC电解质也同样出现了晶粒粗化现象。由此，揭示了材料晶体结构变化时引起电化学性能衰减的重要因素之一。.（2）SOFC电解质与阴极之间的界面行为研究.将LSGM电解质和SSC阴极片紧紧压在一起，于800℃恒电流78.54mA极化672h，研究结果表明电压随着时间不断增大，电阻增加，初步证实了LSGM电解质和SSC阴极界面离子迁移行为的存在。.（3）SO2对SSC阴极的影响.以LSGM为电解质，SSC为工作电极，在800℃空气气氛下，进行-0.2V的恒压极化，将空气切换为含100ppmSO2的空气后，电流迅速下降。SEM测试可知，在SO2作用下的SSC阴极形貌明显粗化，原本的多孔阴极结构遭到了破坏，揭示了外来物质对电化学性能机制的影响。.（4）高性能一维纳米纤维基复合电极的研究与性能衰减的控制.利用静电纺丝技术设计制备了形貌可控的一维纳米纤维结构电极材料。采用浸渍技术添加离子传导相，构筑了纳米纤维基复合电极体系。确立了一整套的复合电极制备工艺，得到了一系列优于文献报道的高性能电极，具有良好的长期稳定性，从构成材料的角度有效控制了SOFC性能衰减现象。