2.3單電池電化學(xué)性能

圖3為單電池在不同溫度下可逆運行的j–V曲線。從圖中可看出，所有單電池均表現(xiàn)出典型的電化學(xué)不對稱現(xiàn)象。小孔氫電極單電池在1.1 V左右的電解電壓下即出現(xiàn)濃差極化現(xiàn)象，主要是因為氫電極孔隙不足，導(dǎo)致氣體擴散受阻，與文獻7報道的R-SOC不對稱性行為主要源于氫電極氣體擴散的結(jié)論相符。

圖4對比了不同溫度及水分壓下單電池在?UFC=?UEC=0.3 V偏壓下的電流密度。從圖4a、b可以看出，在50%H2O工況下，單電池在0.3 V偏壓下的電流密度均隨著溫度升高而增大，而且在SOFC發(fā)電模式下的增長趨勢接近；但在SOEC電解模式下，大孔氫電極單電池電解電流密度隨溫度升高而增大的趨勢明顯大于小孔氫電極單電池，表明氫電極擴散極化阻抗對電解性能的影響更為顯著。從圖4c、d可以看出，在發(fā)電模式下，隨水分壓升高，單電池發(fā)電性能均略微降低，在70%H2O工況以內(nèi)并未表現(xiàn)出較大的差距；然而在電解模式，隨水分壓升高，具有薄膜GDC隔離層的單電池則表現(xiàn)出顯著的性能提升現(xiàn)象，在一定程度上說明降低單電池歐姆阻抗能有效減小電解模式下的氧離子傳導(dǎo)阻力，在原料濃度(水蒸氣)升高時，對電解性能提升表現(xiàn)出一定的協(xié)同促進作用。


從圖3和圖4中可以看出，通過增大氫電極孔隙率可以顯著提升單電池性能，在750°C、50%H2O和0.3 V偏壓下，cell-1相比cell-3的SOFC發(fā)電電流密度從0.546 A?cm?2增大到0.649 A?cm?2，SOEC電解電流密度從0.263 A?cm?2增大到0.495 A?cm?2；采用致密薄膜GDC隔離層進一步降低了cell-4單電池歐姆阻抗，發(fā)電電流密度增加至0.752A?cm?2，電解電流密度增加到0.635 A?cm?2。結(jié)果表明，增大氫電極孔隙率及降低歐姆阻抗對于電解模式的性能提升明顯大于發(fā)電模式，在750°C、50%H2O和0.3 V偏壓下，cell-4相比cell-1的發(fā)電電流密度僅提升了~37%，而電解電流密度則提升了~140%。在其他溫度及水分壓等工況下，均具有相似的現(xiàn)象。


進一步地，以cell-4在780°C、50%H2O工況下的發(fā)電和電解性能為例，繪制了可逆運行的j–V曲線，并在電解模式一側(cè)繪制了發(fā)電曲線的原點對稱線，如圖5a所示。為定量表述R-SOC電化學(xué)不對稱性，將相同偏壓值(?U=?UFC=?UEC)下的發(fā)電電流密度jFC和電解電流密度jEC絕對值之差定義為不對稱度?j。圖5b、c為單電池在偏壓?U=0.3 V下?j隨溫度和氫電極側(cè)水分壓變化的曲線。從圖5b可以看出，隨溫度升高，所有單電池的?j均呈升高趨勢，表明高溫運行雖然能提升單電池性能，但也顯著加劇了可逆運行的不對稱性。相比于小孔氫電極單電池，增大氫電極孔隙率顯著降低了RSOC電化學(xué)不對稱性，cell-3在720°C、50%H2O和0.3 V偏壓下的?j為0.154 A?cm?2。此外還發(fā)現(xiàn)，在小孔氫電極體系，歐姆阻抗對?j的影響并不明顯；在大孔氫電極基礎(chǔ)上，致密薄膜GDC隔離層顯著降低了單電池歐姆阻抗，優(yōu)化了氧電極/電解質(zhì)界面接觸，進一步降低了高溫下的不對稱性，cell-4在780°C、50%H2O和0.3 V偏壓下的?j僅為0.117 A?cm?2，相比cell-2和cell-3分別降低了58%和24%。

從圖5c中可以看出，R-SOC不對稱性隨水分壓升高而減小，說明在氫電極支撐單電池中，電解性能較差依舊是導(dǎo)致不對稱性的主要原因。通過提升氫電極孔隙率，同時采用小歐姆阻抗電解質(zhì)體系能夠明顯降低該不對稱性。


結(jié)論


本文研究了Ni-YSZ氫電極和GDC隔離層對SOC單電池在720–780°C中溫區(qū)間的可逆運行電化學(xué)性能影響，并探究了氫電極擴散阻抗及歐姆阻抗對R-SOC電化學(xué)不對稱性的影響。結(jié)果表明，增大氫電極孔隙率、減薄隔離層厚度能夠有效減小單電池氫電極擴散阻抗及歐姆阻抗，顯著提升單電池性能，尤其是對于SOEC電解性能的提升明顯優(yōu)于SOFC發(fā)電性能。采用大孔氫電極和薄膜GDC隔離層的單電池在780°C、50%H2O和0.3 V偏壓下的發(fā)電電流密度達到了0.752 A?cm?2，電解電流密度達到了0.635 A?cm?2，分別提升了~37%和~140%。此外還發(fā)現(xiàn)，R-SOC不對稱性隨運行溫度升高而增大，隨氫電極側(cè)燃料中的水分壓增大而減小。減小氫電極擴散阻抗和電解質(zhì)歐姆阻抗，能同時減弱可逆運行單電池的不對稱性；采用大孔氫電極和薄膜GDC隔離層的單電池在780°C、50%H2O和0.3 V偏壓下的?j僅為0.117 A?cm?2，相比小孔氫電極單電池和多孔厚膜GDC隔離層單電池分別降低了58%和24%，實現(xiàn)了R-SOC不對稱性的有效調(diào)控。