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固体燃料电池阳极关键材料——氧化锆支撑体
《氢能源》
固体氧化物燃料电池(SolidOxide fuelcell，SOFC)作为一种清洁高效的新型能源，越来越受到人们的重视，其全固态的结构性质稳定、加工方便，且能量转化率高，适用于大型发电站及其它工业应用，如交通、军事、空间开发等。
一般固体氧化物燃料电池主要有三部分组成，分别是阳极，阴极和电解质。其中，阳极和阴极是多孔材料，电解质则为致密的固体陶瓷。其中阳极提供燃料气氧化的场所，阴极提供氧化气还原的场所，电解质则传导氧离子并隔绝电子传导。
SOFC工作原理示意图
目前研究者们主要的方向为中低温固体燃料电池的开发，大多集中在新型电解质材料的研究上。但作为吸附传输反应气体、提供反应场所的电极，随着固体燃料电池的发展，也同样提出了更高的要求。
以阳极为例，通常SOFC阳极材料需要满足以下要求：
（1）提供燃料电化学氧化反应的场所，具有良好的催化活性和高的电子导电率，使电子能够顺利传到外电路而产生电流；
（2）具有良好的化学和热稳定性，与其接触的材料具有良好的化学兼容性及热膨胀的匹配性；
（3）具有合适的孔隙率，使燃料气能扩散到阳极参与电化学反应，并同时将反应产生的气体和副产物带走。
阳极多孔结构
在SOFC阳极材料的研究中，Ni、Pt、Co、Ti等金属材料都曾被用来作为固体氧化物燃料电池的阳极使用，而镍基阳极是研究最多和应用最广泛的阳极，相对于其他阳极材料来说，镍基阳极具有价格相对便宜，来源广泛，技术相对成熟等显著的优点。
但实际应用中，纯金属阳极往往会有一定的缺陷。
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其一是热膨胀系数不匹配。
纯金属材料往往与电解质的热膨胀系数相差甚远，而SOFC往往需要在较高的温度下运行，长时间在高温下运行更容易造成阳极材料与电解质材料之间产生较大的热应力。
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其二是阳极与电解质之间电阻大。
固体氧化物燃料电池为全固体结构，不同材料间的润滑变得相对困难，而经过长期使用的冷热循环之后，金属材料与电解质之间更容易由于热应力而产生脱离和破裂，使阳极与电解质之间的电阻急速增大，会严重的影响固体氧化物燃料电池的性能。
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其三是反应气体扩散有限。
阳极的反应位置仅仅局限于阳极和电解质的接触面的话会使气体的扩散受到限制，产生过高的电位，这种效应在低温或者大的电流密度下会更加明显。
为了弥补纯金属材料的这种缺点，往往需要把金属以某种氧化物陶瓷做为基体弥散开来，考虑到综合成本等问题，目前应用最多的材料即为Ni/YSZ（钇稳定氧化锆）复合阳极基体。
Ni相提供电子电导，同时催化碳氢类燃料的直接氧化和重整反应；YSZ相提供离子电导，其三维网状结构作为整个阳极或电池的结构支撑单元。
不同阳极微观形貌示意图
A、微米Ni/YSZ阳极 B、纳米Ni/YSZ阳极
这种金属陶瓷阳极由于YSZ的引入提升了阳极的离子导电性，从而拓宽了阳极的三相边界(TPB)，即电子、氧离子导体与气体的接触点，提高了阳极性能。
同时，YSZ作为阳极骨架很大程度抑制Ni烧结，因为NiO和YSZ在高温下也不会发生反应形成固溶体，二者可以烧结形成NiO-YSZ复合材料，并被还原成具有一定孔隙的Ni-YSZ金属陶瓷，从而确保阳极有足够孔隙率。
另外由于加入了YSZ，与常用的YSZ电解质之间的接触界面得到改善，通过调控Ni和YSZ比例可以使阳极与电解质热匹配性差的问题得到解决。
Ni-YSZ支撑的SOFC单电池制备工艺流程图
因此氧化锆粉体不光可烧结为陶瓷制成固体氧化物燃料电池的电解质，在电极材料的制备中也有着相当关键的作用。对于SOFC的产业化，高性能氧化锆粉体的制备工艺无疑决定着Ni-YSZ复合电极及固体电解质的性能，从而影响电池的性能表现。
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文献参考资料来源：
1.镍基阳极固体氧化物燃料电池的研究，肖杰，华南理工大学；
2.管式阳极支撑固体氧化物燃料电池的制备和性能研究，王涵多，华南理工大学；
3.浸渍法制备纳米Ni/YSZ阳极稳定性的研究，张斌权，哈尔滨工业大学。
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