清华大学团队揭示固体氧化物燃料电池密封界面高温损伤机制，助力长寿命设计！

第一作者：胡凯

通讯作者：王子羲*

单位：清华大学，山东大学，中弗(无锡)新能源

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固体氧化物燃料电池（SOFC）作为高效清洁能源技术，其长期运行的稳定性受制于关键组件间的界面损伤。其中，由阳极（Ni-YSZ）、玻璃陶瓷密封剂（SrO-MgO-SiO₂）和金属互连体（430不锈钢）组成的密封系统在高温下易因晶化、元素扩散及力学性能失配导致界面失效。现有研究多关注单一材料性能，而对多界面耦合作用下的损伤机理缺乏系统分析。本文通过长期高温实验与多尺度表征，揭示了密封系统的应力演化与损伤机制，为SOFC长寿命设计提供理论支持。

清华大学王子羲副研究员，在国际知名期刊《Journal of Power Sources》上发表题为“Study of high temperature mechanical properties and damage behavior of Ni-YSZ anode/SrO–MgO–SiO₂ glass-ceramic sealant/430 s.s. interconnect system in solid oxide fuel cells (SOFC)”的研究文章。研究了玻璃陶瓷晶化、成分扩散及连接体力学性能退化过程对Ni-YSZ阳极/SrO–MgO–SiO₂密封材料/430不锈钢连接体系统界面结构和力学状态的影响，基于不同界面力学状态变化，建立密封系统层间应力模型，揭示密封系统界面结构损伤机制，为优化固体氧化物燃料电池密封系统设计及材料选择提供关键数据及理论支持。

玻璃在烧结及运行过程中生成高模量Sr₂MgSi₂O₇晶相（模量从104.5 GPa升至129.8 GPa），同时伴随SiO₂相析出，二者热膨胀系数差异导致裂纹扩展。运行1800小时后，玻璃内部出现连通孔洞与裂纹，界面附近形成脆性富SiO₂应力敏感区。

玻璃中Sr、Mg、Si元素向Ni-YSZ阳极渗透（深度达40 μm），界面硬度从3.4 GPa升至8.4 GPa，同时阳极中Ni偏析与孔隙率增加导致模量先升后降（运行1800小时降至128.3 GPa）。界面处形成Sr₂MgSi₂O₇与SiO₂混合相，应力在界面处集中。

430不锈钢在750℃长期运行后弹性模量下降13%（191.1 GPa），硬度从3.9 GPa降至2.7 GPa，靠近金属界面处玻璃体优先析出晶体相，玻璃侧应力升高。

Study of high temperature mechanical properties and damage behavior of Ni-YSZ anode/SrO–MgO–SiO₂ glass-ceramic sealant/430 s.s. interconnect system in solid oxide fuel cells (SOFC)

王子羲，男，清华大学机械工程系副研究员，硕士生导师。主要研究领域包括主动磁悬浮轴承保护轴承损伤失效机理、磁悬浮轴承状态识别与跌落主动控制策略、跌落损伤转子动力学与碰摩损伤累积、磁力传动与磁力调速技术、高温摩擦副材料、往复橡塑密封技术、氢燃料电池电堆密封技术、高温材料界面力学与能源器件可靠性研究等。主持参加多项国家重大专项、自然基金、航空基金等课题。以通讯作者身份在Small, Nano Res., Tribol. Int., J. Sound Vib., J. Power Sources, Int. J. Hydrogen Energ., J. Am. Ceram. Soc.等学术刊物上发表论文50余篇，公开或授权发明专利50余项。