基于燃料电极多采样技术的固体氧化物电解池分段性能评估研究

本研究针对固体氧化物电解池(SOEC)运行中存在的局部性能梯度和降解机制难以精确监测的问题，通过创新性地开发具有11个采样点的多采样测试平台，结合电化学-热模型，首次实现了对商业SOEC单细胞在电解模式下局部温度、气体成分、电流密度和电压分布的实验测量与预测。结果表明，电池入口区域电化学活性最高(局部电流密度达0.45 A/cm2)，且存在约4.5°C的温度梯度，这为优化SOEC效率与耐久性提供了关键见解。该研究发表于《Journal of Power Sources》，为高性能电解池设计提供了重要理论依据和实践指导。

　　

随着全球对清洁能源需求的日益增长，氢能作为理想的能源载体备受关注。通过可再生能源电力驱动水分解制氢，是实现碳中和目标的重要路径。在各类电解技术中，固体氧化物电解池(SOEC)因其工作温度高(600-1000°C)、能量转换效率优异，且能协同电解CO₂生产合成气，展现出独特优势。然而，SOEC在实际运行中常面临性能衰减快、寿命短的问题，这与其内部复杂的局部反应环境密切相关。传统测试方法仅能测量电池整体性能，无法揭示内部空间异质性，特别是局部电流密度、温度和气相组成的分布差异，而这些因素正是诱发材料降解、影响电池耐久性的关键。

为解决这一难题，来自意大利帕特诺普大学的研究团队在《Journal of Power Sources》上发表了一项创新性研究。他们设计了一种具有11个采样点的多采样测试平台，对活性面积为81 cm²的商业燃料电极支撑型SOEC单电池进行了系统实验，并结合简化的电化学-热模型，首次实现了在操作条件下对电池表面各区域的精细化测量与预测。

研究团队采用的多采样测试平台为核心创新点，通过在燃料电极表面分布11个采样点，实现了对局部气体成分(通过气相色谱仪)和温度(通过K型热电偶)的实时测量。基于实验数据，团队建立了简化的电化学模型用于预测局部电压和电流密度分布，同时开发了热模型用于分析温度分布。实验在750°C下进行，系统改变了进气流量(300-500 mL/min)和组成(H₂O/H₂为50/50和70/30)，并通过极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)和短期稳定性测试评估电池性能。

气体成分分布结果

实验数据显示，蒸汽浓度沿气流方向显著下降，在低流量条件(300 mL/min)下，入口处H₂O含量为50%，而出口处降至约10%，表明电化学反应主要集中在电池入口区域。提高进气流量或蒸汽比例可有效缓解浓度梯度，使气体分布更均匀。法拉第平衡验证了实验与理论计算的高度一致性，误差小于4.35%。

局部电压与电流分布

模型预测表明，入口区域(采样点1-3)的局部电流密度高达0.45 A/cm²，是平均电流密度(0.235 A/cm²)的近两倍，相应电压在1.15-1.20 V之间。这种不均匀性归因于入口处较高的蒸汽浓度促进了电化学反应。值得注意的是，高电流密度区域与潜在的镍(Ni)迁移和再氧化现象相关，可能是导致电池长期性能衰减的主要因素。

局部温度分布

温度测量显示，由于入口区域强烈的吸热反应(操作电压低于热中性电压)，该区域温度较低(约744-746°C)，而中部和出口区域温度接近炉温(750°C)。整体电池表面温差小于4.5°C，远低于文献中报道的导致结构损坏的临界热梯度(5-10 K/cm)。模型与实验数据吻合良好，进一步验证了分析方法的可靠性。

该研究通过创新的多采样技术结合建模分析，揭示了SOEC操作中存在的显著空间异质性，特别是入口区域的高电化学活性和潜在降解风险。这些发现强调了局部诊断对于理解电池行为、优化运行策略的重要性。研究提出的方法不仅适用于蒸汽电解，还可扩展至共电解和燃料辅助电解等模式，为开发高效、耐久的固体氧化物电解系统提供了重要技术支撑和理论指导。未来工作可结合微观结构表征，进一步阐明局部性能与材料演化间的关联，推动SOEC技术的实际应用。