固體氧化物燃料電池陽極材料綜述

摘 要：固體氧化物燃料電池是一種全固體結構的燃料電池，是當前新能源開發的主要方向之一。陽極做為燃氣的電化學氧化場所對于電池性能發揮著至關重要的作用。

關鍵詞：固體氧化物燃料電池 陽極 固體結構

中圖分類號：TQ174 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0051-01

固體氧化物燃料電池（SOFC）是繼AFC、PAFC、MCFC之后的一種全固體結構的第四代燃料電池。1937年二氧化鋯陶瓷首次用于燃料電池，研制出世界上第一臺SOFC，標志固體氧化物燃料電池的誕生。從此，以氧離子導體為固體電解質的SOFC得到廣泛的研究。

SOFC陽極是為燃氣提供電化學氧化的場所，所以材料必須在還原氣氛中足夠穩定，并具有對燃料的催化活性和足夠高的電子電導率。由于SOFC的操作溫度為中、高溫，材料要求與其它電池材料在操作溫度甚至更高的溫度范圍內具有化學相容性和熱膨脹系數匹配性。此外，陽極還必須具有強度高、韌性好、加工容易、成本低的特點。滿足以上條件的主要包括金屬、金屬陶瓷、氧化物陽極、鎵酸鑭基電池陽極。

1 金屬陽極

由于SOFC的操作溫度很高，所以目前研究較多的金屬為Ni、Co、Fe及貴金屬材料。Setoguchi等人發現，Ni對于氫的氧化表現出最好的電化學活性[1]，且Ni具有較低的價格和較高的穩定性，因此是目前研究最為廣泛的陽極材料。金屬Co也是很好的陽極材料，對于直接碳氫燃料具有較好的電化學催化活性，但由于價格較高，在SOFC中應用較少。Fe雖然價格較低，但容易被氧化從而失去催化活性。

由于純金屬陽極不能傳導O2-，燃料的電化學反應只能在界面發生。且金屬陽極同電解質的熱膨脹匹配性相差較大，加熱冷卻循環多次后，容易發生電極剝落。另外，高溫下電極的燒結、氣化現象都會嚴重影響電池的工作性能。

2 金屬陶瓷陽極

金屬陶瓷復合材料是為了克服金屬陽極遇到的問題而發明的新型材料。是在純的金屬中摻入高氧離子電導物質得到的，可以減輕燒結現象和改善熱相容性。同時，摻入的高氧離子電導率物質可以增加電極的氧離子電導率，使反應活性區擴展到電極內部，提高電極的活性。

金屬Ni常與氧化釔穩定的氧化鋯混合制成多孔金屬陶瓷Ni-YSZ，是目前應用最廣泛的高溫SOFC陽極材料。Cu對于直接碳氫燃料具有良好的抗積碳作用。由于Cu是一種惰性金屬，催化活性不足以催化C-C鍵的斷裂和形成，從而減輕了碳沉積的現象。R. Cracium[2]等在YSZ基體中用Cu取代Ni后，獲得了與Ni-YSZ陽極材料相當的性能。

此外，人們也嘗試過用其它金屬來代替Ni。Co在還原環境下性能穩定，不易被氧化，有較好的催化活性，并且對硫有更好的耐受度，所以可以用Co代替Ni與電解質材料形成金屬陶瓷陽極。但由于價格昂貴，不適合商業化運作。相比之下，Ru-YSZ陽極更具優勢，Ru的熔點高，性能穩定，不易燒結，并且對碳氫燃料催化活性高，反應后沒有碳沉積。Minoru Suzuki等報道，以Ru-YSZ為陽極的電池在1273K下最高功率密度可達1.55W·cm-2。

3 氧化物陽極

混合導體全稱是離子電子混合導體，是優異的中溫陰極材料，同時也是新興的電池陽極材料。該材料中，氧離子和電子都是可以移動的，氧離子可以直接傳到陽極顆粒，電子也能迅速傳到連接體，三相界區域大大增加。在直接碳氫燃料中，氧化物活性不足以促使C-C鍵的形成，因此該陽極材料不易發生碳沉積，和硫中毒。

鈣鈦礦結構的氧化物是一種可能的固體氧化物燃料電池陽極，其化學簡式是ABO3，簡單立方點陣，空間群為Pm3m。該材料具有高度的穩定性，有可能避免由于電池啟動過程中氣氛轉換造成的電極相變，簡化電池啟動過程，延長電池壽命；鈣鈦礦材料還可能優化出與電解質無反應并具有相近熱膨脹系數的電極，提高電池的穩定性和抗硫能力。因此高穩定性、高活性的鈣鈦礦型陽極材料的開發是一個極有意義的課題。

4 鎵酸鑭基電池陽極

鎵酸鑭系列電解質是最近報道的一類優異的中溫電解質材料。研究與鎵酸鑭材料相匹配的陽極材料一直是該類燃料電池的熱點。最近Wang[3]等報道的Ni-Fe-LSGMC8.5復合陽極組成的Ni-Fe-LSGMC8.5/LSGMC5/SSC-LSGMC5單電池以氫為燃氣，在1073K的功率輸出可達1.26W·cm-2。以二甲醚為燃料時，該陽極材料對應的單電池在1073K下的功率輸出可達0.99 W·cm-2。電池長期運行后表現出良好的穩定性，且電沒有發現明顯的積碳。Ishihara等制備的陽極支撐型的Ni-Fe-SDC/LSGM-SDC/SSC單電池以氫為燃氣、在973K的功率輸出可達3.27 W·cm-2。

參考文獻

[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] 高潔，王世忠，賀瓊.Ni-Fe-LSGMC8.5復合陽極的研究[J].電池，2006（4）：238-270.endprint