固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)是一款高能效、零污染有极大应用前景的新型能源转换装置。SOFC在经过氧化还原循环后微观结构发生变化,对电池整体结构的机械稳定性产生了不可逆的有害影响。本文结合扫描电镜、透射电镜、X射线微米CT技术等手段,通过对单层阳极电池抗氧化性的分析,研究了燃料电池的应变累积引发的电解质开裂,讨论了Ni-YSZ(镍-氧化钇稳定的氧化锆)阳极电池在氧化还原过程中Ni的扩散机制。主要结果如下:1.利用氧化还原热循环反应过程模拟电池运行,即Ni-YSZ阳极在冷却中重复氧化和在加热过程中还原。观察SOFC半电池阳极层Ni和电解质反应前后微观形貌和能谱变化,并结合物相分析、残余应力、热膨胀等方面对燃料电池进行了研究。结果表明Ni-YSZ阳极中的微观结构发生变化,如Ni颗粒会聚,电解质开裂等,性能劣化明显。2.在氧化还原热循环过程中,看到在氧化过程中Ni的迁移率比氧快,氧化镍会形成絮状结构,YSZ是氧导体材料,里面会有大量的氧空位,同时由于YSZ的结构特性,在多晶的界面附近会有团簇或者缺陷富集(Y元素掺杂富集和氧空位富集)。在氧化过程中首先发生的是氧分子的吸附、解离和离子化,由外向阳离子扩散,伴随着孤立的孔形成,生成的氧化物核横向生长直至撞击YSZ框架。3.通过聚焦离子束与透射电子显微镜的结合使用,首次对Ni-YSZ阳极在热循环过程中在相同区域内的微观结构演变进行了研究。结果表明:在热循环过程中,Ni-YSZ接触界面的还原有两种机制,第一种是晶粒生长导致Ni扩散到金属体中,第二种是Ni和YSZ热膨胀系数的不匹配,导致变形,此外,在热循环操作运行期间观察到的聚集效应与运行场所相比较小。4个热循环后,Ni-YSZ接触面积减少了约4%,然而,尽管分层在每个热循环后持续发生,但分层程度并不受升温速率的影响。上述研究结果将有利于揭示SOFC降解机制,为提高电池性能,并最终延长器件寿命提供依据。