固体氧化物燃料电池阳极材料综述

摘 要：固体氧化物燃料电池是一种全固体结构的燃料电池，是当前新能源开发的主要方向之一。阳极做为燃气的电化学氧化场所对于电池性能发挥着至关重要的作用。

关键词：固体氧化物燃料电池 阳极 固体结构

中图分类号：TQ174 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0051-01

固体氧化物燃料电池（SOFC）是继AFC、PAFC、MCFC之后的一种全固体结构的第四代燃料电池。1937年二氧化锆陶瓷首次用于燃料电池，研制出世界上第一台SOFC，标志固体氧化物燃料电池的诞生。从此，以氧离子导体为固体电解质的SOFC得到广泛的研究。

SOFC阳极是为燃气提供电化学氧化的场所，所以材料必须在还原气氛中足够稳定，并具有对燃料的催化活性和足够高的电子电导率。由于SOFC的操作温度为中、高温，材料要求与其它电池材料在操作温度甚至更高的温度范围内具有化学相容性和热膨胀系数匹配性。此外，阳极还必须具有强度高、韧性好、加工容易、成本低的特点。满足以上条件的主要包括金属、金属陶瓷、氧化物阳极、镓酸镧基电池阳极。

1 金属阳极

由于SOFC的操作温度很高，所以目前研究较多的金属为Ni、Co、Fe及贵金属材料。Setoguchi等人发现，Ni对于氢的氧化表现出最好的电化学活性[1]，且Ni具有较低的价格和较高的稳定性，因此是目前研究最为广泛的阳极材料。金属Co也是很好的阳极材料，对于直接碳氢燃料具有较好的电化学催化活性，但由于价格较高，在SOFC中应用较少。Fe虽然价格较低，但容易被氧化从而失去催化活性。

由于纯金属阳极不能传导O2-，燃料的电化学反应只能在界面发生。且金属阳极同电解质的热膨胀匹配性相差较大，加热冷却循环多次后，容易发生电极剥落。另外，高温下电极的烧结、气化现象都会严重影响电池的工作性能。

2 金属陶瓷阳极

金属陶瓷复合材料是为了克服金属阳极遇到的问题而发明的新型材料。是在纯的金属中掺入高氧离子电导物质得到的，可以减轻烧结现象和改善热相容性。同时，掺入的高氧离子电导率物质可以增加电极的氧离子电导率，使反应活性区扩展到电极内部，提高电极的活性。

金属Ni常与氧化钇稳定的氧化锆混合制成多孔金属陶瓷Ni-YSZ，是目前应用最广泛的高温SOFC阳极材料。Cu对于直接碳氢燃料具有良好的抗积碳作用。由于Cu是一种惰性金属，催化活性不足以催化C-C键的断裂和形成，从而减轻了碳沉积的现象。R. Cracium[2]等在YSZ基体中用Cu取代Ni后，获得了与Ni-YSZ阳极材料相当的性能。

此外，人们也尝试过用其它金属来代替Ni。Co在还原环境下性能稳定，不易被氧化，有较好的催化活性，并且对硫有更好的耐受度，所以可以用Co代替Ni与电解质材料形成金属陶瓷阳极。但由于价格昂贵，不适合商业化运作。相比之下，Ru-YSZ阳极更具优势，Ru的熔点高，性能稳定，不易烧结，并且对碳氢燃料催化活性高，反应后没有碳沉积。Minoru Suzuki等报道，以Ru-YSZ为阳极的电池在1273K下最高功率密度可达1.55W·cm-2。

3 氧化物阳极

混合导体全称是离子电子混合导体，是优异的中温阴极材料，同时也是新兴的电池阳极材料。该材料中，氧离子和电子都是可以移动的，氧离子可以直接传到阳极颗粒，电子也能迅速传到连接体，三相界区域大大增加。在直接碳氢燃料中，氧化物活性不足以促使C-C键的形成，因此该阳极材料不易发生碳沉积，和硫中毒。

钙钛矿结构的氧化物是一种可能的固体氧化物燃料电池阳极，其化学简式是ABO3，简单立方点阵，空间群为Pm3m。该材料具有高度的稳定性，有可能避免由于电池启动过程中气氛转换造成的电极相变，简化电池启动过程，延长电池寿命；钙钛矿材料还可能优化出与电解质无反应并具有相近热膨胀系数的电极，提高电池的稳定性和抗硫能力。因此高稳定性、高活性的钙钛矿型阳极材料的开发是一个极有意义的课题。

4 镓酸镧基电池阳极

镓酸镧系列电解质是最近报道的一类优异的中温电解质材料。研究与镓酸镧材料相匹配的阳极材料一直是该类燃料电池的热点。最近Wang[3]等报道的Ni-Fe-LSGMC8.5复合阳极组成的Ni-Fe-LSGMC8.5/LSGMC5/SSC-LSGMC5单电池以氢为燃气，在1073K的功率输出可达1.26W·cm-2。以二甲醚为燃料时，该阳极材料对应的单电池在1073K下的功率输出可达0.99 W·cm-2。电池长期运行后表现出良好的稳定性，且电没有发现明显的积碳。Ishihara等制备的阳极支撑型的Ni-Fe-SDC/LSGM-SDC/SSC单电池以氢为燃气、在973K的功率输出可达3.27 W·cm-2。

参考文献

[1] S. P. Jiang. in “Science and Technology of Zirconia V” [C] edited by S. P. S. Badwal， M. J. Bannnister， R. H. J. Hannink， Technomic Publishing Co.， Lancaster， PA.， 1993： 819.

[2] R.Cracium，S.Park，R.J.Gorte，J.M.Vohs，C.Wang，W.L.Worrell.A novel method for preparing anode cermets for solid oxide fuel cells[J].J.Electrochem.Soc.，1999，146（11）：4019-4022.

[3] 高洁，王世忠，贺琼.Ni-Fe-LSGMC8.5复合阳极的研究[J].电池，2006（4）：238-270.endprint