可用于可逆SOFC/SOEC运行及绿氢生产的可扩展大气等离子体喷涂金属支撑型固体氧化物电池

《IEEE Journal of Photovoltaics》：Scalable Atmospheric Plasma-Sprayed Metal-Supported Solid Oxide Cells for Reversible SOFC/SOEC Operation and Green Hydrogen Production

　　摘要：大气等离子喷涂（APS）提供了一种可规模化的固体氧化物电池（SOC）制造路线，能够在无需真空处理的情况下快速沉积致密电解质和多孔电极。本研究利用APS制备了金属支撑的SOC（MS-SOC），并评估了其在固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体氧化物电解电池（SOEC）模式下的可逆运行性能。APS制备的定制微观结构增强了离子传输、气体扩散和电化学性能。研究人员在国家原子能研究所（NARI）研究了由十个MS-SOC组成的N500可逆SOC（rSOC）电堆，每片电池活性面积为80 cm2，工作温度为700°C。在SOFC模式下，该电堆平均开路电压（OCV）为1.15 V，在0.9 A/cm2电流密度下实现峰值功率输出514 W（0.642 W/cm2），燃料利用率达55.7%。在SOEC模式下，在1 A/cm2电流密度下运行可产生6.08 L/min氢气，高热值（HHV）效率为82.7%，低热值（LHV）效率为70.0%。为进一步提升电堆性能，研究人员开发了一种改进的互联片设计，采用离散的圆柱形肋条和混合流场，有效降低了极化损失并提高了燃料利用率。千瓦级电堆示范在750°C下实现了超过1.2 kW的功率输出，并将其集成至3.5 kW SOFC系统中，实现了稳定运行，电效率超过36%。这些结果表明，APS制备的SOFC/SOEC系统为可规模化的可再生能源存储和高效绿氢生产提供了一条可行途径。