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SOEC燃料电极材料从Ni-YSZ到LSCM的演进与性能对比
发布时间:2026-10-26    浏览量:106

固体氧化物电解池(SOEC)燃料电极(阴极)的材料选择直接影响电解池的长期稳定性和电解效率。传统Ni-YSZ金属陶瓷电极虽具有优异的催化活性和电子导电性,但在SOEC的高水蒸气分压环境中,Ni易被氧化为NiO,导致体积膨胀和性能衰减。LSCM(La₀.₇₅Sr₀.₂₅Cr₀.₅Mn₀.₅O₃₋δ)等全陶瓷电极因其优异的氧化还原稳定性,成为SOEC燃料电极的重要替代方案。北京中教金源科技有限公司的SOEC测试平台支持燃料电极材料的系统评价。

Ni-YSZ的优势与局限

Ni-YSZ的优势在于:高电子电导率(>10³S/cm);优异的氢还原催化活性;与YSZ电解质的热膨胀匹配良好(TEC≈12.5×10⁻⁶/K)。局限在于:在高水蒸气分压(>50%)下Ni易氧化(Ni+H₂O→NiO+H₂);氧化-还原循环导致体积变化(Ni→NiO体积膨胀约70%),可能引发电极开裂和电解质脱层。

LSCM全陶瓷电极的特性

LSCM是一种钙钛矿型混合导体(同时具有电子和氧离子导电性),在SOEC运行条件下(高水蒸气、还原性气氛)具有优异的氧化还原稳定性。LSCM的电子电导率约100S/cm(800℃),比Ni-YSZ低但足够支撑SOEC的电流密度。LSCM对水电解和CO₂电解均具有良好的催化活性。

电化学性能对比

在800℃、50%H₂O-50%H₂气氛下:Ni-YSZ电极的极化电阻约0.1-0.3Ω·cm²,初始活性优于LSCM(约0.5-0.8Ω·cm²);但在1000小时运行后,Ni-YSZ的极化电阻增长至0.5-1.0Ω·cm²(因Ni粗化),而LSCM基本保持稳定(<0.9Ω·cm²)。

LSCM的改进策略

为提高LSCM的电化学性能,可采用以下策略:与GDC或YSZ复合,增加三相界面长度(LSCM-GDC复合电极的极化电阻可降至0.2-0.3Ω·cm²);掺杂少量过渡金属(如Fe、Co),提高电子电导率;采用纳米结构(如静电纺丝制备LSCM纳米纤维),增加比表面积。

燃料电极材料的选型建议

根据运行条件选择燃料电极材料:短时运行(<1000小时)或低水蒸气分压(<30%)可选Ni-YSZ;长时运行(>1000小时)或高水蒸气分压(>50%)建议选LSCM或LSCM-GDC复合电极。

北京中教金源科技有限公司的SOEC测试平台支持燃料电极材料在高温(700-900℃)、高水蒸气分压(0-100%)条件下的长期运行测试(最长5000小时),可自动记录电压衰减和阻抗谱变化。


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