《Materials Science and Engineering: B》：Performance and stability of Ni-YSZ anode-supported solid oxide fuel cells exposed to seawater salt spray atmosphere
编辑推荐：
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在干燥空气阴极条件下，海水中的盐沉积影响很小。
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在干燥空气阴极条件下，Na和Cl不会残留，镍的迁移也受到限制。
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含有30体积% H2O的海水衍生空气会加速LSCF-GDC阴极的降解。
引言
固体氧化物燃料电池（SOFC）
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在干燥空气阴极条件下，海水中的盐沉积影响很小。
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在干燥空气阴极条件下，Na和Cl不会残留，镍的迁移也受到限制。
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含有30体积% H2O的海水衍生空气会加速LSCF-GDC阴极的降解。
引言
固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种全固态电化学能量转换装置，因其高效率、燃料灵活性和可靠的安全性而受到了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。值得注意的是，SOFC的部署灵活性和多设备耦合能力使其能够有效满足特定场景下的电力供应需求。以远离大陆的偏远岛屿为例：通过传统电网供电会面临基础设施成本高昂和输电线路脆弱等挑战，而太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的电力输出又不稳定。相比之下，使用SOFC发电是一个有效的解决方案。SOFC发电系统效率高且占用空间小，所需的燃料（如氢气）可以与太阳能、风能和潮汐能发电系统结合使用。在发电量丰富的时期，可以利用SOFC的逆过程——固体氧化物电解池（SOEC）来生产氢气，然后在上述可再生能源发电量较低的时期使用这些氢气进行发电，从而确保全天稳定的电力供应[5]、[6]、[7]、[8]。
SOFC通常由三个部分组成：多孔阴极、阳极以及位于两者之间的致密电解质。根据所涉及的载流子类型，SOFC可以分为氧离子传导型[9]、[10]、[11]和质子传导型[12]、[13]。在氧离子传导型电池中，O2?作为载流子，从阴极通过电解质传递到阳极；而在质子传导型电池中，H+作为载流子，从阳极通过电解质传递到阴极。由于H+的传输活化能较低，质子传导型电池具有比氧离子传导型电池更好的电化学性能，尽管其稳定性仍需进一步提高。按支撑结构分类，SOFC可分为阳极支撑型[14]、[15]和电解质支撑型[16]、[17]。使用Ni-Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）等材料的阳极支撑型电池可以减小电解质厚度，从而降低欧姆极化损失[8]、[18]。
目前最具有商业可行性的SOFC是Ni-YSZ阳极支撑型电池，这种电池在电化学性能、机械强度和材料成本方面取得了平衡。鉴于YSZ电解质的优异稳定性和不可或缺的作用，电池的电化学性能主要取决于阴极和阳极。为了实现高效率和长寿命，阴极和阳极必须始终保持化学稳定性和微观结构的完整性[19]、[20]。海水成分复杂，不仅含有各种盐离子，还含有海洋生物产生的有机化合物、硫化物和氮化物。因此，海洋环境中的高盐度雾气可能对SOFC的性能产生负面影响，导致潜在的盐沉积和化学-电化学腐蚀[21]、[22]、[23]。例如，即使是微量的硫也可能对Ni-YSZ阳极造成不可逆的损伤[24]，阴极材料也有中毒的风险[25]、[26]。先前的研究表明，含有NaCl的大气环境会导致LSCF阴极的成分变化和性能下降[27]。最近，Uecker等人报告称，高盐度的NaCl水会加速长期SOC的降解，并伴有Na的形成和镍的聚集[28]。迄今为止，大多数研究是在清洁空气中进行的，目前尚不清楚盐分成分是否会对阴极造成损害，或者这种SOFC在含盐雾环境中的降解速率和行为是否会与清洁空气中的情况不同。因此，需要进行实验验证。
基于上述考虑，我们系统研究了在清洁环境和模拟海洋环境中，使用YSZ电解质和LSCF-GDC复合阴极的Ni-YSZ阳极支撑型电池的电化学性能。为了区分直接盐沉积和阴极侧湿度升高的影响，我们在海水暴露条件下以及含有30体积% H2O的持续海水衍生 humidified 空气条件下对电池进行了评估。比较分析聚焦于四个方面：（1）电化学性能和长期稳定性；（2）阻抗和松弛时间特性的分布；（3）两个电极的元素组成和结构演变；（4）阳极功能层中镍的空间分布。直接的海水和盐雾暴露并未引起电池性能、电极组成或镍分布的显著变化，表明其对短暂的盐污染具有良好的耐受性。相比之下，持续暴露在高湿度、含盐的空气中会显著恶化LSCF-GDC阴极的氧表面交换动力学，最终导致电极分层和电池灾难性故障。这些结果阐明了盐沉积和海水衍生湿度的不同影响，并为海洋环境中的Ni-YSZ支撑型SOFC建立了更现实的操作边界。
章节片段
LSCF的制备
阴极粉末La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ是采用溶胶-凝胶法制备的。精确称量了La(NO3)3·6H2O、Sr(NO3)2、Co(NO3)2·6H2O和Fe(NO3)3·9H2O的 stoichiometric 量，并将它们溶解在适量的去离子水中。粉末完全溶解后，依次加入乙二胺四乙酸（EDTA）和柠檬酸一水合物的水溶液。金属离子与柠檬酸一水合物和EDTA的摩尔比为
电化学性能
图1显示了不同电池在750°C下的电化学性能。在初始阶段，每个电池的开放电压（OCV）均高于1.07 V，表明电解质致密且电池密封良好。Cell-1、Cell-2、Cell-3和Cell-4的峰值功率密度（PPD）分别为1.19、1.29、1.25和1.07 W cm?2。经过200小时的长期测试后，这些电池的PPD略有下降，分别为1.02、1.12、1.19和1.00 W cm?2
结论
本研究调查了Ni-YSZ阳极支撑型SOFC在海水盐雾环境下的性能，并分析了测试后电极的微观结构、元素组成和镍的分布。主要结论如下：
- 1.
在750°C下，直接暴露于海水中200小时的测试期间，电池性能和稳定性均未显著下降。不同海水暴露条件下的降解速率与清洁条件下的相当。
- 2.
CRediT作者贡献声明
Taifu Xu:撰稿——原始草稿，研究，概念构思。Zhining Wang:撰稿——审稿与编辑，监督。Ao Wang:可视化，方法研究。Qiang Liu:形式分析，数据管理。Cheng Li:可视化，资源准备，研究。Lichao Jia:撰稿——审稿与编辑，监督，资金获取。
*利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFF0506300）、国家自然科学基金（52472202）和湖北省科技计划（2024EHA045、2024BCB073）的财务支持。作者感谢华中科学技术的分析与测试中心提供的XRD和SEM表征服务。
*Taifu Xu|Zhining Wang|Ao Wang|Qiang Liu|Cheng Li|Lichao Jia*```
