1.3 阳极材料的选择

   就目前而言，阳极材料和成本等因素是限制SOFC工业应用化的重要因素，在SOFC中，阳极是燃料发生电化学氧化反应的场所，也是燃料电池电路系统中不可或缺的重要组成部分[9]。

   由于阳极材料较高温度的工作环境，它不仅与燃料气接触，同时还与反应杂质、连接体等电池部件相接触，所以在选择阳极材料时应同时考虑其工作机理和工作环境。因而，阳极材料必须具备以下条件[10-11]：

①　有足够的电子电导率及一定的离子电导率，以扩大电极有效反应面积；

②　在还原性气氛中可长时间工作，保持尺寸及微结构稳定，无破坏性相变；

③　.与电解质热膨胀系数相匹配，不发生化学反应；

④　多孔性；

⑤　耐阳极的电化学反应有良好的催化活性；

⑥　对于不同的电解质材料，需要发展不同的阳极材料来与之配合。

   阳极材料直接影响SOFC的工作效果，因此为了提高阳极材料的稳定性，同时适应不断发展的电解质体系，对阳极材料的组成、结构以及性能，学者们进行了广泛而深入的研究工作并取得了丰硕的成果。从金属到金属-陶瓷复合材料，再到陶瓷材料，人们一直在不断优化阳极材料使之满足电池性能要求。Ni/YSZ作为最常用的阳极材料，这种镍金属陶瓷阳极在一定条件下具有良好的性能，但是也存在一些问题，例如碳基燃料积碳问题以及当燃料其中含有微量H2S时的硫腐蚀问题，因而开发具有抗积碳、耐硫性能的阳极材料被逐渐提上了日程。

   金属Ni 价格便宜且稳定性高，常与电解质氧化钇稳定的氧化锆(YttriaStabilized Zirconia，简称YSZ)混合制成多孔金属陶瓷Ni/YSZ，Ni/YSZ 是目前应用最广泛的SOFC 阳极材料。Ni/YSZ 的电导率很大程度上取决于Ni 含量，这主要是因为Ni/YSZ 金属陶瓷中存在两种导电机制：电子导电相Ni 和离子导电相YSZ。Ni/YSZ 的导电性及其他性质由混合物中二者的比例决定，当Ni 的含量低于30%(体积分数，下同)时，离子电导占主导；当Ni 的含量高于30%时，电子电导占主导。因为Ni 的热膨胀系数(16×10-6/K)大于YSZ(10.5×10-6/K)，Ni 的含量也会影响陶瓷阳极的热膨胀系数。Majumdar 等研究表明：Ni/YSZ 的热膨胀系数随Ni 含量的增加而线性增大，当Ni 含量超过30%时，Ni/YSZ 的热膨胀系数将比YSZ 电解质的高。综合考虑阳极材料的各方面性能，Ni 的含量一般取30%左右。此外，YSZ 还在阳极中起结构支撑体的作用。Ni/YSZ||YSZ|| LaxSr1-xMnO3(LSM)结构的单电池在800℃以氢气为燃料时，电池的功率密度一般为0.19~0.93 W/cm2。目前，大多数的燃料电池都以氢气为燃料，若能用更易得的CH4 等碳氢气体替代氢气，将会大大降低电池的成本，加快固体氧化物燃料电池的商业化进程。虽然Ni/YSZ 陶瓷阳极对氢气的有较强的催化活性，但是当用CH4 等碳氢气体作为燃料时，Ni/YSZ 陶瓷阳极会催化C-C键的形成而产生碳沉积，从而导致电池性能衰减。同时天然气中的一些杂质，尤其是S 会和Ni 反应使Ni 发生硫中毒失去催化作用，因此Ni/YSZ 不适合用来催化碳氢气体的氧化反应，也就不适合作为以碳氢气体为燃料的SOFC 的阳极材料。CH4-H2O 体系高温下会生成富氢气体，生成的氢在阳极发生电化学氧化反应，可以在一定程度上缓解碳氢气体带来的矛盾，但是水蒸气的重整不仅提高了电池制备成本，同时对电池其他组件也造成了一定伤害。目前人们正在积极寻找可以直接催化CH4 等碳氢气体的新型阳极材料。

   钙钛矿结构的氧化物能在很大的氧分压和温度范围内保持较好的结构和性能稳定性。典型的钙钛矿型氧化物具有ABO3通式，简单立方点阵，其中A和B阳离子总的电荷数为+6。A位和B位具有很强的掺杂性，可对其掺杂改性。较低价的A离子(例如La、Sr、Ca 和Pb 等)具有较大的离子半径，B离子（例如Ti、Cr、Ni、Fe、Co 和Zr 等)则占据较小的八面体空位，用不同价态的离子完全或部分取代A或B离子具有可行性。当A位和B位离子的总化合价(n+m)小于6时，失去的电荷通过在氧晶格位引入空位而得到补偿[12]。掺杂的钙钛矿结构的氧化物可以表现出混合导体性能，且对碳氢燃料具有一定催化作用，大量具有钙钛矿结构的化合物已被研究用于SOFC的阳极材料。