低成本制备高性能抗积碳阳极支撑型固体氧化物燃料电池(SOFC)的研究

为解决SOFC商业化进程中成本高、阳极积碳等问题，研究人员采用浆料喷涂与旋涂联用技术，开发出具有优异抗积碳性能的阳极支撑型SOFC。该电池在1000°C氢气和干甲烷中分别实现1.408 W/cm2 和0.96 W/cm2 的峰值功率密度，电解质厚度仅10μm且气密性良好。该研究为低成本直接烃类SOFC的规模化应用提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高效、燃料灵活性等优势备受关注。然而高昂的制造成本和阳极积碳问题严重制约其商业化进程，特别是在直接使用甲烷等碳氢燃料时，传统镍基阳极易因碳沉积导致性能衰减。这些技术瓶颈促使科学家们不断探索新型制备工艺和材料体系。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所的研究团队在《Resources Chemicals and Materials》发表论文，创新性地将浆料喷涂与旋涂技术相结合，成功制备出具有优异抗积碳性能的阳极支撑型SOFC。该研究通过优化NiO-YSZ阳极孔隙结构和YSZ电解质致密性，实现了电池在氢气和干甲烷中的高效稳定运行，为低成本直接烃类SOFC的开发提供了重要参考。

研究采用三步关键技术：1)通过球磨-干压-预烧结制备NiO-YSZ阳极支撑体；2)联用浆料喷涂和旋涂构建10μm级致密YSZ电解质层；3)采用刮刀法沉积LSM阴极。通过XRD、SEM和阿基米德法分别表征材料相组成、微观结构和孔隙率，并利用电化学测试系统评估电池性能。

在"材料表征"部分，XRD分析证实NiO成功还原为导电Ni相，与YSZ形成稳定复合结构。SEM显示电解质层仅存在少量亚微米级孤立孔隙，气密性优异。"半电池微观结构与孔隙率"研究表明，还原后阳极孔隙率达46%，有利于气体扩散和三相边界形成。"SOFC电化学性能"测试显示，电池在氢气和干甲烷中均表现出色，1000°C时峰值功率密度分别达1.408 W/cm²
和0.96 W/cm²
，且OCV与理论值高度吻合。

"阳极反应分析"章节通过气相色谱解析了甲烷氧化路径：低电流密度时以热分解为主，生成H₂
和积碳；中高电流密度时电化学氧化逐渐主导，形成CO和H₂
O；高电流密度下出现CO₂
，表明CO氧化反应被激活。研究归纳出三条可能的反应路径，其中路径3(包含甲烷完全氧化反应)最能解释实验现象。"成本分析"显示该工艺成本仅0.3-0.4美元/cm²
，远低于传统气相沉积法。

该研究证实，浆料喷涂-旋涂联用技术可经济高效地制备高性能SOFC，其关键创新在于：1)通过工艺组合控制电解质致密性，厚度较传统方法降低50%以上；2)优化阳极孔隙结构，在保证机械强度前提下提升气体传输效率；3)阐明甲烷在Ni-YSZ阳极的阶梯式氧化机制，为抗积碳设计提供理论依据。这些发现不仅推动了SOFC制造技术的进步，也为开发可直接利用天然气的分布式能源系统奠定了技术基础。未来研究可进一步探索电解质低温烧结工艺和阳极表面改性，以提升电池在中低温下的长期稳定性。