氨燃料固体氧化物燃料电池堆的性能衰减机制：氮化腐蚀与短路失效的关联性研究

本文聚焦氨燃料SOFC（固体氧化物燃料电池）堆的失效机制，通过10单元和3单元堆实验揭示了Crofer 22 APU连接体在680°C工况下的氮化腐蚀（氮浓度达8% wt）与结构变形（厚度超过单电池）是导致短路的主因。研究采用SEM-EDS/XRD/GDOES等多模态表征，首次阐明氮化铬（CrN）形成与温度应力协同作用引发堆栈失效的机制，为低温（<700°C）DA-SOFC（直接氨燃料电池）材料优化提供关键依据。

　　

Highlight

本研究首次系统揭示了低温氨燃料SOFC堆的"猝死"现象：在680°C下仅运行数小时即发生失效，罪魁祸首竟是连接体的"膨胀变形术"——氮原子像特洛伊木马般潜入Crofer 22 APU钢材（氮含量飙升至8% wt），与铬元素暗结CrN（氮化铬），导致连接体厚度暴增超过单电池尺寸，最终引发"亲密接触"式短路。

Experimental object and methods

实验采用欧洲专利设计的10单元和3单元SOFC堆，配备Ni-YSZ/YSZ/GDC/LSC构型的商业阳极支撑电池（ELCOGEN elcoCell）。通过"暴力拆解"失效堆栈，SEM-EDS发现连接体出现"皲裂纹身"，XRD则捕捉到CrN的"晶体指纹"，光学轮廓仪更测量出高达30μm的"肥胖变形"——这相当于在邮票大小的连接体上隆起一座微米级泰山。

Results and discussion

电压曲线讲述着"氨的背叛故事"：虽然短期性能与氢燃料相差仅5%（功率密度达240 mW cm^?2），但氨分子在高温下"策反"金属组件——GDOES深度剖析显示氮元素在连接体内部搞"渗透行动"，而SEM图像里晶界处的"氮化铬游击队"正是导致机械强度崩塌的元凶。更讽刺的是，这种"膨胀腐蚀"在开电路状态下也会悄然发生，就像一场不需要电流参与的慢性谋杀。

Conclusions

研究团队为SOFC领域敲响警钟：当氨燃料遇上低温SOFC，连接体的"氮化变形记"将成为阿喀琉斯之踵。未来设计需在材料选择（如高铬钢防氮化）和热管理（避免>100°C/cm梯度）双管齐下，否则这些"气电转换器"将在氨分子发动的化学战中全军覆没。