面向交通应用的SOFC高功率密度实现路径：基于模型的YSZ与GDC电解质架构评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Achieving high power density in SOFCs for transportation applications: A model-based assessment of YSZ- and GDC-based electrolyte architectures

本文通过多尺度建模方法，系统评估了钆掺杂氧化铈（GDC）和薄膜钇稳定氧化锆（YSZ）电解质在固体氧化物燃料电池（SOFC）高功率密度运行中的性能差异。研究表明加压条件下可实现1.5 W cm-2（H2）和1.3 W cm-2（CH4）的功率输出，但需控制温度梯度与极化子泄漏问题，为交通领域碳减排提供了关键技术路径。

　　

Highlight

高功率密度运行分析表明，GDC和YSZ电解质SOFC在10 cm通道长度的平面电池构型中，于5 bar加压条件下分别可实现1.5 W cm^-2（氢气）和1.3 W cm^-2（甲烷）的功率密度。然而，高功率密度会导致沿通道方向温度梯度超过12 °C cm^-1，需通过高阴极冷却气流缓解热机械应力。GDC电解质在700 °C以上运行时因极化子泄漏加剧会导致法拉第效率下降，而YSZ电解质在高温下可避免此问题。

Discussion: Implications of high power-density operation

本研究结果表明，GDC和YSZ基SOFC均能实现高功率密度运行。图11显示在5 bar加压条件下，使用氢气燃料功率密度超过1.5 W cm^-2，甲烷燃料超过1.3 W cm^-2，有望使SOFC电堆比功率突破1 kW_elec kg^-1。该性能需通过高过量空气系数（λ_O2=18 for H₂，λ_O2=9 for CH₄）实现，但会降低系统净效率。热梯度控制是维持电池耐久性的关键，建议将温度梯度控制在10 °C cm^-1以内。GDC电解质在高温下的极化子泄漏会导致开路电压下降，而YSZ电解质虽无泄漏电流却需面对高温密封挑战。

Conclusion

本研究通过多尺度建模对比分析了YSZ和GDC电解质SOFC在交通应用中的高功率密度潜力。校准后的电化学模型准确捕获了多电荷转移路径效应，验证了高温下开路电压降低现象。二维模型揭示了沿通道方向的显著温度梯度，强调热管理对电池耐久性的重要性。研究证明通过材料优选与操作优化，SOFC电堆功率密度可突破1.0 W cm^-2，为重载卡车、船舶及航空等难减排交通领域提供商业化路径。