优化Ni-YSZ阳极支撑体孔隙结构提升固体氧化物燃料电池气体传输性能与稳定性研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)的Ni-YSZ阳极支撑体存在气体传输能力不足导致浓度极化和镍颗粒粗化问题。华中科技大学团队创新性地采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)替代传统淀粉作为造孔剂，系统研究了10/15/50 μm PMMA颗粒对阳极孔隙结构的调控作用。研究发现PMMA15组电池在750°C下极化电阻降低至0.46 Ω cm2 ，峰值功率密度提升至1.433 W/cm2 ，且在高燃料利用率(79.8%)下表现出更稳定的电压输出。该研究为通过微观结构优化解决SOFC性能衰减提供了新思路。

　　

随着全球能源需求激增和碳排放问题加剧，固体氧化物燃料电池(SOFC)因其突破卡诺循环限制的高效能量转换特性备受关注。其中Ni-YSZ阳极支撑型电池因兼具良好机械强度和导电性成为主流选择，但面临严峻挑战：高温运行时阳极支撑体(ASL)内燃料气体传输不畅导致浓度极化加剧，同时水蒸气局部积聚引发镍(Ni)颗粒通过Ni(OH)₂
挥发-沉积机制发生粗化和迁移，这些问题在高燃料利用率条件下尤为突出。传统淀粉造孔剂形成的曲折孔隙结构更会恶化气体传输，而相转化法等特殊工艺虽能改善传质却会牺牲机械强度，制约了大尺寸电池的发展。

华中科技大学研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究中，创造性地采用单分散聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)颗粒(10/15/50 μm)替代传统淀粉造孔剂，通过流延成型和丝网印刷技术制备了系列阳极支撑型SOFC。研究结合电化学测试、微观形貌分析和长期稳定性实验，系统阐明了孔隙形貌对气体传输和镍颗粒稳定性的影响机制。关键技术包括：流延法制备含7.5 wt%造孔剂的阳极支撑层；1390°C高温共烧结获得致密YSZ电解质；采用GDC阻挡层防止YSZ与LSCF-GDC阴极发生反应；通过SEM和XRD进行微观结构表征。

电化学性能对比
电化学测试显示PMMA组电池性能显著优于淀粉对照组：750°C氢气氛下，PMMA10/15/50组的极化电阻分别降至0.48/0.46/0.39 Ω cm²
，峰值功率密度提升至1.232/1.433/1.514 W/cm²
。大尺寸电池测试进一步证实PMMA15组在79.8%高燃料利用率下电压波动更小，性能衰减率降低。

微观结构分析
SEM显示淀粉组形成扁平椭圆状高曲折度孔隙，而PMMA产生规则球形孔道。PMMA50组虽展现最佳传质性能，但因孔隙率过高导致机械强度下降。粒径分布统计表明PMMA15组阳极的Ni颗粒平均尺寸最小(0.82 μm)，有效抑制了镍网络结构的退化。

结论与意义
该研究证实PMMA造孔剂能通过形成低曲折度孔道提升Knudsen扩散效率，同时优化孔径分布可平衡气体传输与机械强度需求。特别值得注意的是15 μm PMMA在维持阳极结构稳定性方面表现最优，其形成的孔隙结构既能有效促进H₂
/H₂
O传输以缓解浓度极化，又足以抑制镍颗粒异常生长。这项工作为开发兼具高功率输出和长寿命的商业化SOFC提供了重要理论依据和实践指导，通过简单的造孔剂替换策略实现了电池性能的全面提升。研究团队特别强调，未来应针对不同电池尺寸和运行工况进一步优化PMMA粒径配比，以推动该技术在规模化生产中的应用。