固体氧化物燃料电池阳极结构的三维成像研究

　　为了进一步降低燃料电池制备成本，商业化NiO原料被用来制备Ni-YSZ阳极支撑层，但是商业化NiO原料中含大量的杂质，而这些杂质有可能会影响Ni-YSZ结构及其电性能，因而为了了解杂质含量及种类对电极性能的影响，我们利用北京同步辐射装置（BSRF）4W1A-X射线成像实验站的硬X射线成像技术研究了杂质对阳极结构性能的影响，相关的研究成果发表在2016年7月6日的《International Journal of Hydrogen Energy》上。 

　　Ni-YSZ阳极支撑层用两种不同来源的NiO （NiO-1和NiO-2）制备而成，这两种NiO粉末含有不同种类的杂质，并且杂质的含量也不同；而阳极的功能层用同一中NiO粉末制成。 制备的阳极分别命名为anode-1和anode-2。 实验结果表明：在阳极烧结过程中，支撑层对功能层结构的形成有着较大的影响，而且在anode-2中存在着过烧结现象。结合我们的实验结果和文献，我们推测出NiO-2中所含的MgO杂质是引起过烧结的主要原因。通过降低anode-2的烧结温度，我们重新测试了基于anode-2的电池性能，发现烧结温度降低50^oC 的cell-2的电性能有了较大的提高。 

　　图1 利用BSRF4W1A-X射线成像实验站实验技术获得了两种Ni-YSZ阳极支撑层（NiO粉末含有不同杂质）和相同的Ni-YSZ 阳极功能层的三维成像数据，并经过数据分割处理，计算了各自的一些关键结构参数，比如各相的体积分数、联通性以及三相界面长度等，这为关联阳极结构与性能提供了关键的数据信息。 

　　此外，利用BSRF4W1A-X射线成像实验站实验技术，我们又对不同热循环条件的Ni-YSZ阳极进行了三维成像，基于获得的三维重构数据得到了三相界面长度（反应位点）的空间分布，然后利用发展起来的气体传输模型模拟了反应气体（H₂）、扩散过程后发生的电化学反应及生成气体（H₂O）的扩散，相关的研究成果发表在2016年9月30日的《Journal of Power Sources》上。 

　　利用三维重构数据及模拟得到的H₂和H₂O的摩尔分数，我们计算了各阳极内部的浓差极化和活化极化，结果表明：随着热循环次数的增加，浓差极化的值反而变小，这是由于未发生热循环的阳极内H₂和H₂O的摩尔分数变化最剧烈。活化极化和三相界面密度成反比关系，所以随着热循环次数的增加，三相界面密度变小，活化极化值逐渐增大。基于三维重构数据，建立气体传输反应模型模拟了气体的传输及电化学反应过程，得到的结果更能真实反映电池运行过程中气体扩散反应的详细过程，为优化电池性能提供理论数据。 

　　图2 不同热循环次数阳极内H₂的空间分布及不同层数上H₂的平均摩尔分数。

　　发表文章： 

　　Yong Guan, Xiaolei Dong, Lei Zhang, Gang Liu, Zhiting Liang, Shan Chen, Liang Chen, Xiaobo Zhang, Ying Xiong, Haiqian Wang**, Yangchao Tian*. Effects of nickel oxide impurities on the microstructure and electrical properties of a nickel-yttria-stabilized zirconia anode. International Journal of Hydrogen Energy 41 (24) (2016), 10833–10843.

　　Pengfei Guo, Yong Guan*, Gang Liu, Zhiting Liang, Jianhong Liu, Xiaobo Zhang, Ying Xiong, Yangchao Tian**. Modeling of gas transport with electrochemical reaction in nickel-yttria-stabilized zirconia anode during thermal cycling by Lattice Boltzmann method. Journal of Power Sources 327 (2016) 127-134.