高比功率金属泡沫支撑型固体氧化物燃料电池的创新设计与性能突破

《Advanced Science》：A Novel Metal Foam-Supported Solid Oxide Fuel Cell With High Specific Power

固体氧化物燃料电池（SOFC）是交通运输领域前景广阔的能源转换技术，但低比功率制约其商业化应用。本文提出一种新型高孔隙大孔金属泡沫支撑SOFC（MF-SOFC）结构，结合商用功能层材料与成熟工艺，成功将比功率提升数倍，为满足移动动力系统的高比功率与抗冲击需求提供关键解决方案。

　　

1 引言

经济全球化的持续发展加速了交通领域的增长，驱动对移动动力解决方案的需求不断攀升。作为一种高效、环保的能源转换技术，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）因其高燃料灵活性与运行可靠性，在航空、航天、海洋运输及新能源汽车等领域备受关注，成为能源转型时代的关键竞争者。

然而，燃料电池系统的质量与体积是其商业化应用于移动动力的关键限制因素。如拉贡图所示，与竞争能源技术相比，SOFC的比功率仍处于较低水平。在汽车领域，当前SOFC系统仅能提供0.4 kW kg^-1，未能达到0.65 kW kg^-1的行业基准；在航空应用中，已有报道的SOFC系统比功率更低，远未达到NASA提出的运行要求。因此，提升比功率是SOFC在移动动力系统中应用的基础要求。

在辅助动力单元中，SOFC电堆占总质量预算的20%以上。而支撑结构在SOFC重复单元中持续占据80%以上的质量分配。因此，在保持功率密度的同时减轻支撑结构质量，是实现SOFC系统比功率显著提升的最关键优化策略。

为提升面积功率密度，SOFC配置已从电解质支撑型过渡到阳极支撑型设计。然而，厚陶瓷支撑层导致的质量过大和极化损失等问题依然存在。这促使了第三代金属支撑SOFC的发展，该设计通过大幅降低陶瓷层厚度，在降低总质量的同时减少了欧姆损失并缓解了浓度极化，显著提升了电化学性能与潜在的比功率。此外，金属支撑SOFC在机械强度和密封能力方面更具优势，尤其适合对耐用性和可靠性要求苛刻的移动应用。

目前，SOFC支撑结构主要通过粉末烧结或冷冻干燥制成微孔或直孔构型，孔隙率分别约为40%和60%。为实现超轻量化设计，具有更高孔隙率和更大孔径的金属泡沫成为一种有前景的替代方案，有望同时降低支撑密度和气体传输阻力。然而，该设计的实际实施面临两大挑战：一是金属泡沫在陶瓷功能层的高温烧结过程中因热稳定性有限而粗化；二是传统制造方法难以在大孔基底上持续制备无缺陷、均匀的功能层。

2 结果与讨论

2.1 MF-SOFC的电化学性能评估

本研究开发的MF-SOFC采用孔隙率达90%的支撑结构，实现了突破性进展，其面质量仅为0.15 g cm^-2，相比之前报道的SOFC降低了至少37.5%。在650°C、含3%水汽的氢气气氛下，该结构实现了6.56 kW kg^-1的比功率，比现有技术高出数倍至一个数量级。与过去二十年间报道的中温SOFC相比，包括质子传导SOFC、金属陶瓷支撑氧离子传导SOFC和金属支撑氧离子传导SOFC，MF-SOFC在500–650°C范围内展现出优越的比功率。在600–650°C下，MF-SOFC的面积功率密度与质子传导SOFC相当，但远高于金属陶瓷支撑氧离子传导SOFC。这种卓越的比功率源于极低的面质量与高面积功率密度的协同作用。

本研究采用常规功能层材料和流延技术制造了MF-SOFC，并制备了具有相同支撑几何形状和尺寸的阳极支撑SOFC作为对照组，以系统评估金属泡沫支撑对电化学性能的影响。燃料饥饿是SOFC的关键失效模式和可靠性指标，因此设计了可控燃料组分来评估耐受性。结果表明，在650°C的氢气气氛中，MF-SOFC的峰值功率密度达到1.01 W cm^-2，是对照组Con-SOFC的1.6倍。随着燃料匮乏程度加剧，两种电池性能均出现下降，但MF-SOFC的衰减速率远慢于Con-SOFC，显示出常规电池对燃料饥饿的更大敏感性。即使在氢气含量低至19.4%的极端条件下，金属泡沫结构仍表现出增强的饥饿耐受性。

为阐明改良支撑结构对电化学过程的影响，将测量的电化学阻抗谱数据转化为弛豫时间分布谱。MF-SOFC的弛豫时间分布谱未显示明显的低频峰，表明其独特的电化学行为。具体而言，金属泡沫支撑显著降低了阳极浓度极化，进而降低了阳极活化极化。此外，高孔隙、大孔的金属泡沫结构提高了燃料传输效率，从而降低了对高纯度燃料的依赖。对阳极电阻随氧分压变化的分析进一步验证了弛豫时间分布谱的结果，并解释了MF-SOFC在燃料饥饿条件下优于传统设计的原因。

2.2 MF-SOFC高比功率的机理

根据材料的四面体框架，MF-SOFC与Con-SOFC电化学性能的差异可归因于它们截然不同的微观结构特征，三维计算机断层扫描分析揭示了这一点。重建的二维断层图像切片及对应的灰度直方图显示，MF-SOFC的统计分析出现了四个不同的峰。基于原子序数越高的材料X射线吸收越强、灰度值越高的原理，可以识别不同的结构组分。功能层中的高原子序数稀土元素呈现出最高的灰度值；而被环氧树脂浸润的MF-SOFC孔隙则显示出最低的灰度值。该左侧峰极高的强度表明此相占据了微观结构体积分数的绝大部分，这与MF-SOFC高孔隙、大孔的典型特征一致。

三维重建采用颜色编码以可视化从阴极到金属泡沫支撑的梯度过渡。这种颜色编码分割使得能够定量分析各组分的体积分数及沿厚度方向的孔径分布。三维可视化更清晰地展示了粘结层如何从完全覆盖阳极逐渐变薄为泡沫筋上的离散附着点，最终在200微米深度处完全消失。金属泡沫在共烧结后保持了结构完整性，厚度约1毫米，孔隙率90%，与初始状态相比尺寸变化可忽略不计。值得注意的是，孔径分布在z方向上呈现出逐渐扩大的趋势。

通过拉普拉斯方程的数值解，系统研究了不同孔隙率支撑结构中的气体传输特性。结果揭示了金属泡沫独特的孔隙结构对传质特性的显著影响。模拟的流线从红色到蓝色渐变，定量表示了递减的势场分布。在90%孔隙率下，气流线呈现近乎直线的轨迹，在孔道内均匀分布，曲折因子接近1，达到近乎理想的状态。这种结构配置最大程度地降低了气体传输阻力，即使在严重燃料饥饿条件下也能实现燃料向阳极的高效输送。这解释了MF-SOFC相比Con-SOFC支撑引起的损失大幅减少的原因。当孔隙率降至60%和30%时，流线显示出显著增加的曲折度和显著降低的密度，导致气体传输阻力急剧升高，进而产生更大的支撑相关极化损失。

根据Bruggeman模型，增加孔隙率可提高有效气体扩散系数。文献中的实验数据与流线模拟获得的值表现出良好的一致性。本研究中开发的金属泡沫支撑，其超高孔隙率达90%，实现了0.75的卓越有效扩散系数，相比直孔和微孔构型分别提高了约2倍和4倍。

2.3 MF-SOFC的机械性能

为评估粘结层、金属泡沫和功能层之间的界面强度，进行了冲击试验以比较MF-SOFC和Con-SOFC的冲击韧性。冲击测试后MF-SOFC的断裂形貌显示，金属泡沫和功能层保持良好结合，功能层结构完整，无明显分层。

高倍图像具体展示了阳极与金属泡沫之间的界面。虽然微裂纹在粘结层与功能层界面形成，但大部分粘合区域仍与阳极保持强附着，无宏观分层。对金属泡沫框架的详细检查清晰显示，其沿冲击方向发生了塑性变形。这些发现证实，冲击能量通过粘结层有效传递，随后被金属泡沫的塑性行为吸收，从而防止了灾难性破坏。

MF-SOFC和Con-SOFC的冲击韧性定量分析显示，MF-SOFC的平均冲击韧性为0.148 J，显著高于Con-SOFC的0.012 J，代表了机械韧性的数量级提升。这一戏剧性增强直接证明了MF-SOFC设计实现了卓越的抗冲击性能，这源于粘结层、金属泡沫支撑和功能层之间优化的界面结合。测试数据的统计评估表明测量值具有相对较窄的分布，证明了制造工艺出色的可重复性，并确认了多个样品间机械性能的高度一致性。

3 结论

在本研究中，采用了一种创新方法制备MF-SOFC：预先制备集成的功能层单元，然后通过成分与金属泡沫匹配的过渡粘结层将其牢固连接到金属泡沫支撑上。所得的金属泡沫支撑展现出90%孔隙率和100微米平均孔径的卓越结构特性。该方法成功实现了大孔金属泡沫支撑SOFC，同时保留了金属基底的固有孔隙结构，达到了仅0.15 g cm^-2的显著面质量，代表了轻量化SOFC设计的重大进展。

金属泡沫支撑独特的孔结构使其有效气体扩散系数接近理论极限。这一显著特征大幅降低了气体传输阻力，有效缓解了浓度极化，从而降低了阳极电阻，防止其成为主导的限制因素。因此，即使在燃料饥饿条件下，MF-SOFC也表现出优于Con-SOFC的电化学性能和增强的稳定性。在650°C的湿氢气氛中运行时，MF-SOFC实现了1.01 W cm^-2的峰值功率密度和6.56 kW kg^-1的比功率。这些性能指标超过具有各种架构的传统SOFC数倍至数十倍，为开发轻量化SOFC系统并拓宽其实际应用提供了可行途径。

4 实验部分

4.1 单电池制备

使用NiO、Gd_0.1Ce_0.9O_1.95(GDC)、La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(LSCF)、Fe和Ni粉末以及Fe-Ni金属泡沫制备金属泡沫支撑SOFC单电池。阳极/电解质双层通过流延和共烧结制备。最后，使用与金属泡沫成分相同的Fe-Ni浆料将Fe-Ni金属泡沫粘合到三层结构上，并在氩气气氛中于950°C烧结2小时。为作比较，采用相同方法制备了具有一致层厚的传统金属-陶瓷复合阳极支撑电池。

4.2 微观结构表征与机械性能评估

使用扫描电子显微镜进行微观结构分析，同时通过三维计算机断层扫描获得三维形貌。基于相同基本原理开发了定制冲击测试装置来评估冲击韧性。

4.3 电化学表征

使用定制测试台与电化学工作站评估电化学性能。通过线性扫描伏安法获取电压-电流曲线。电化学阻抗谱在特定频率范围内进行，并使用弛豫时间分布法进行分析。

4.4 数据分析

电池级比功率通过面峰值功率密度除以其对应的面质量计算得出。所有报告的比功率值均源自原始数据的直接计算。