高性能中溫固體氧化物燃料電池Ni-YSZ陽(yáng)極的研究和優(yōu)化.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）是通過(guò)電化學(xué)過(guò)程將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能和熱能的高效清潔的能量轉(zhuǎn)換裝置，它具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，最成熟、最先進(jìn)的SOFC技術(shù)是以Ni-YSZ（氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯）金屬陶瓷復(fù)合物作為陽(yáng)極材料。但是使用金屬Ni會(huì)帶來(lái)諸多問題，主要有兩個(gè)：一個(gè)是Ni在碳?xì)淙剂现腥菀状呋忌L(zhǎng)；另一個(gè)是 Ni在氧化-還原過(guò)程中會(huì)發(fā)生巨大的體積變化，以及在高溫下燒結(jié)長(zhǎng)大而影響陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為了解決這些問題，人們開展了大

2、量關(guān)于非Ni基陽(yáng)極的研究。雖然取得了一定的成果，但是這些新型陽(yáng)極材料在導(dǎo)電性、催化活性、制備工藝、機(jī)械強(qiáng)度等方面遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)的Ni-YSZ陽(yáng)極。因此，Ni-YSZ金屬陶瓷仍然是目前為止最佳的SOFC陽(yáng)極材料，所以對(duì)Ni-YSZ進(jìn)行改性以提高它的抗積碳性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)于 SOFC的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。本文通過(guò)改進(jìn)陽(yáng)極的制備技術(shù)和添加重整催化層的方法分別對(duì)Ni-YSZ陽(yáng)極存在的兩個(gè)問題進(jìn)行了研究和改善。
　　首先，通過(guò)溶液注入制備

3、技術(shù)提高了陽(yáng)極的氧化-還原穩(wěn)定性。將NiO注入YSZ多孔骨架還原得到Ni+YSZ陽(yáng)極。與傳統(tǒng)Ni-YSZ陽(yáng)極相比，它具有更優(yōu)異的電化學(xué)催化活性和氧化-還原穩(wěn)定性。微米級(jí)別的 YSZ多孔骨架作為陽(yáng)極的支撐體，它在熱作用、氧化-還原循環(huán)和電流極化作用下均不會(huì)發(fā)生變化。注入的 Ni顆粒均勻分布在骨架的表面作為催化劑和電子導(dǎo)電的媒介。將NiO和MgO共同注入陽(yáng)極，可以從(Ni,Mg)O的固溶體中還原得到更細(xì)小的Ni顆粒，并且(Ni,Mg)O顆粒

4、的存在可以降低Ni原子的擴(kuò)散速率從而抑制Ni顆粒的燒結(jié)長(zhǎng)大。因此，(Ni,Mg)O+YSZ陽(yáng)極具有優(yōu)異的氧化-還原穩(wěn)定性和抗顆粒長(zhǎng)大的能力。
　　其次，通過(guò)在傳統(tǒng)Ni-YSZ陽(yáng)極上添加重整催化層的方法提高了陽(yáng)極對(duì)CH4的電化學(xué)催化活性和抗積碳性能。這種方法的關(guān)鍵在于重整催化層材料的選擇，而本文選擇了尖晶石材料，主要研究?jī)?nèi)容如下。
　?。?）選取MnNi2O4作為重整催化層材料。通過(guò)原位還原得到的Ni-MnO/Ni-YSZ陽(yáng)極

5、在CH4-3mol.％H2O中的極化阻抗（RP）不到Ni-YSZ的2/3。在200mA/cm2的電流密度和CH4-20mol.%H2O的氣氛中，Ni-MnO重整催化層的加入有效地抑制了碳在陽(yáng)極中的生長(zhǎng)，使Ni-MnO/Ni-YSZ陽(yáng)極的衰減速率較Ni-YSZ減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　（2）選取Ni0.5Cu0.5Fe2O4-Gd0.1Ce0.9O1.95-δ（NCFO-GDC）作為重整催化層材料。原位還原得到的NCF-GDC/Ni-

6、YSZ陽(yáng)極在CH4-3mol.%H2O中的RP僅為Ni-YSZ的1/2。在200mA/cm2的電流密度和CH4-7mol.%H2O的氣氛中，NCF-GDC/Ni-YSZ陽(yáng)極即可完全避免碳沉積，并且其衰減速率較Ni-MnO/Ni-YSZ又減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　（3）選取Ni0.5Cu0.5Fe2O4-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(NCFO-BZCYYb)作為重整催化層材料。NCF-BZCYYb/Ni-YSZ陽(yáng)

7、極對(duì)CH4氧化的電化學(xué)催化活性比NCF-GDC/Ni-YSZ更好。更重要的是，在CH4中混入3mol.%H2O就能確保陽(yáng)極完全不發(fā)生碳沉積，并可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。
　　最后，我們對(duì)NCFO-BZCYYb重整催化劑在陽(yáng)極支撐的SOFC（AS-SOFC）中的應(yīng)用做了研究。對(duì)于甲烷水蒸汽重整反應(yīng)，NCF-BZCYYb比Ni-YSZ具有更高的CH4轉(zhuǎn)化率和CO選擇性，以及更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。添加NCF-BZCYYb重整催化層的單電池可以在80