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共离子导电固体氧化物电解质助力燃料电池堆稳定运行

时间：2022-03-06 来源： 浏览：

共离子导电固体氧化物电解质助力燃料电池堆稳定运行

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固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将燃料氧化释放的化学能直接转换成电能的高效、零污染发电装置。为了降低对电池材料的要求和减少加工的复杂性，固体氧化物燃料电池正朝着低温运行的方向发展（600-800℃）。然而，当前研究的中温SOFC电解质材料如掺杂氧化铈在还原性气氛下化学性质不稳定，导致混合离子电子传导，最终降低开路电压和输出功率密度。另一类低温SOFC电解质材料是质子传导钙钛矿氧化物，但存在化学稳定性差或烧结性差等问题。最近，一些研究者提出了由氧离子导电氧化铈和质子导电钙钛矿氧化物组成的共离子导电复合电解质模型，能够有效提高电池寿命，但尚无研究针对该类电解质制成的SOFC在电堆级别的运行稳定性。在单电池性能有差异（即电池不平衡）情况下，可能导致串联电化学装置出现灾难性故障，如锂离子电池系统中电池不平衡导致过度充电/放电引起热失控。对于燃料电池电堆，具有较高电阻的电池可以在负电压下工作，其电解质/电极界面会因电解质中产生的高分压而分层，最终导致电堆失效。通过电堆监控和管理系统能够保护并延长其寿命，但更重要的是开发在负电压下也能稳定运行的SOFC。
韩国昌原国立大学Hyung-Tae Lima等人提出了一种共离子导电双层复合电解质，能够显著提高电池不平衡燃料电池堆的运行稳定性。研究人员在前期针对共离子导电复合电解质的研究发现，BCY15(BaCe0.85Y0.15O3-d)-GDC20(Gd0.2Ce0.8O2-d)和BZY15(BaZr0.85Y0.15O3-d)-NDC10(Nd0.1Ce0.9O2-d)电池在正电池电压下是稳定的，但在负电池电压下两者都很容易降解。研究人员利用双层结构对共离子导电复合电解质的设计进行了改进：阳极/BCY15–GDC20/BZY15–NDC10/阴极。与单层复合电解质电池相反，双层电池在正负电压条件下都是稳定的。为了解双层结构对稳定性的影响，将铂探针嵌入双层电解液中以测试内部氧分压(Po2)。根据得到的数值，结合四探针直流电导率测量确定了在阳极侧附近的n型电导率为～10-3 S cm-1，阴极侧附近的p型电导率为10-5-10-4S cm-1。这些值略低于纯钇掺杂钡锆酸盐（BZY）的p型电导率，但比具有高离子转移数的电解质电导率高得多，如在800℃的YSZ p型电导率为～10-6 S cm-1。因此，可以推测，在靠近两个电极的电解液区域，存在充分的局部电子传导，最终起到稳定内部分压的作用，即防止电极分层。目前的结果表明，阳极和阴极界面附近电解质区域的局部电子传导对负电压下共离子导电电解质的耐久性至关重要，双层结构可以成为保护电池不平衡电堆的实用解决方案。
图1 新型共离子导电复合电解质提升电堆稳定性示意图
该项研究利用双层结构优化了共离子导电复合电解质的设计，发现该设计能够提升SOFC电解质耐久性，尤其是在电池不平衡电堆中，为开发稳定长寿命SOFC提供了可行方案。相关研究成果发表在《Journal of Power Sources》。

原文：Niaz A K, Kim Y J, Virkar A V, et al. Design concept of co-ionicconducting solid oxide electrolyte for stable operation in a cell-imbalancedfuel cell stack. Journal of Power Sources.2021. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.230483

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