2.3单电池电化学性能

图3为单电池在不同温度下可逆运行的j–V曲线。从图中可看出，所有单电池均表现出典型的电化学不对称现象。小孔氢电极单电池在1.1 V左右的电解电压下即出现浓差极化现象，主要是因为氢电极孔隙不足，导致气体扩散受阻，与文献7报道的R-SOC不对称性行为主要源于氢电极气体扩散的结论相符。

图4对比了不同温度及水分压下单电池在∆UFC=∆UEC=0.3 V偏压下的电流密度。从图4a、b可以看出，在50%H2O工况下，单电池在0.3 V偏压下的电流密度均随着温度升高而增大，而且在SOFC发电模式下的增长趋势接近；但在SOEC电解模式下，大孔氢电极单电池电解电流密度随温度升高而增大的趋势明显大于小孔氢电极单电池，表明氢电极扩散极化阻抗对电解性能的影响更为显著。从图4c、d可以看出，在发电模式下，随水分压升高，单电池发电性能均略微降低，在70%H2O工况以内并未表现出较大的差距；然而在电解模式，随水分压升高，具有薄膜GDC隔离层的单电池则表现出显著的性能提升现象，在一定程度上说明降低单电池欧姆阻抗能有效减小电解模式下的氧离子传导阻力，在原料浓度(水蒸气)升高时，对电解性能提升表现出一定的协同促进作用。


从图3和图4中可以看出，通过增大氢电极孔隙率可以显著提升单电池性能，在750°C、50%H2O和0.3 V偏压下，cell-1相比cell-3的SOFC发电电流密度从0.546 A∙cm−2增大到0.649 A∙cm−2，SOEC电解电流密度从0.263 A∙cm−2增大到0.495 A∙cm−2；采用致密薄膜GDC隔离层进一步降低了cell-4单电池欧姆阻抗，发电电流密度增加至0.752A∙cm−2，电解电流密度增加到0.635 A∙cm−2。结果表明，增大氢电极孔隙率及降低欧姆阻抗对于电解模式的性能提升明显大于发电模式，在750°C、50%H2O和0.3 V偏压下，cell-4相比cell-1的发电电流密度仅提升了~37%，而电解电流密度则提升了~140%。在其他温度及水分压等工况下，均具有相似的现象。


进一步地，以cell-4在780°C、50%H2O工况下的发电和电解性能为例，绘制了可逆运行的j–V曲线，并在电解模式一侧绘制了发电曲线的原点对称线，如图5a所示。为定量表述R-SOC电化学不对称性，将相同偏压值(∆U=∆UFC=∆UEC)下的发电电流密度jFC和电解电流密度jEC绝对值之差定义为不对称度∆j。图5b、c为单电池在偏压∆U=0.3 V下∆j随温度和氢电极侧水分压变化的曲线。从图5b可以看出，随温度升高，所有单电池的∆j均呈升高趋势，表明高温运行虽然能提升单电池性能，但也显著加剧了可逆运行的不对称性。相比于小孔氢电极单电池，增大氢电极孔隙率显著降低了RSOC电化学不对称性，cell-3在720°C、50%H2O和0.3 V偏压下的∆j为0.154 A∙cm−2。此外还发现，在小孔氢电极体系，欧姆阻抗对∆j的影响并不明显；在大孔氢电极基础上，致密薄膜GDC隔离层显著降低了单电池欧姆阻抗，优化了氧电极/电解质界面接触，进一步降低了高温下的不对称性，cell-4在780°C、50%H2O和0.3 V偏压下的∆j仅为0.117 A∙cm−2，相比cell-2和cell-3分别降低了58%和24%。

从图5c中可以看出，R-SOC不对称性随水分压升高而减小，说明在氢电极支撑单电池中，电解性能较差依旧是导致不对称性的主要原因。通过提升氢电极孔隙率，同时采用小欧姆阻抗电解质体系能够明显降低该不对称性。


结论


本文研究了Ni-YSZ氢电极和GDC隔离层对SOC单电池在720–780°C中温区间的可逆运行电化学性能影响，并探究了氢电极扩散阻抗及欧姆阻抗对R-SOC电化学不对称性的影响。结果表明，增大氢电极孔隙率、减薄隔离层厚度能够有效减小单电池氢电极扩散阻抗及欧姆阻抗，显著提升单电池性能，尤其是对于SOEC电解性能的提升明显优于SOFC发电性能。采用大孔氢电极和薄膜GDC隔离层的单电池在780°C、50%H2O和0.3 V偏压下的发电电流密度达到了0.752 A∙cm−2，电解电流密度达到了0.635 A∙cm−2，分别提升了~37%和~140%。此外还发现，R-SOC不对称性随运行温度升高而增大，随氢电极侧燃料中的水分压增大而减小。减小氢电极扩散阻抗和电解质欧姆阻抗，能同时减弱可逆运行单电池的不对称性；采用大孔氢电极和薄膜GDC隔离层的单电池在780°C、50%H2O和0.3 V偏压下的∆j仅为0.117 A∙cm−2，相比小孔氢电极单电池和多孔厚膜GDC隔离层单电池分别降低了58%和24%，实现了R-SOC不对称性的有效调控。