基于甲烷燃料Ni-Fe合金支撐固體氧化物燃料電池研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cells)是一種將化石燃料、生物質(zhì)燃料以及其他碳-氫化合物燃料中的化學(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，具有零污染、高效率、適用廣、無(wú)噪音以及連續(xù)工作和積木化的特點(diǎn)，是21世紀(jì)公認(rèn)的高效綠色能源。傳統(tǒng)Ni基金屬陶瓷支撐固體氧化物燃料電池存在諸多問(wèn)題：材料成本過(guò)高、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低、熱循環(huán)性能差、陶瓷部件難以機(jī)械加工、使用碳?xì)淙剂先菀追e碳導(dǎo)致電極失活。因此，開(kāi)發(fā)低成本、高效率、批量

2、化制備的新型陽(yáng)極支撐固體氧化物燃料電池是其產(chǎn)業(yè)化的重要途徑。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以NiO和Fe2O3作為原料，采用流延-絲網(wǎng)印刷-高溫共燒結(jié)工藝制備了以Ni0.9Fe0.1合金為支撐體，Ni-GDC(Ce0.9Gd0.1O2-δ)為陽(yáng)極，GDC為電解質(zhì)，LSM(La0.8Sr0.2MnO3)包覆BSCF(Ba0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3)為陰極的MS-SOFC。MS-SOFC燒結(jié)后的支撐體由NiO和NiFe2O

3、4相組成，在H2氣氛中，650℃還原2 h，支撐體變?yōu)槎嗫譔i-Fe合金。對(duì)Ni-Fe合金支撐SOFC的電化學(xué)和氧化還原循環(huán)性能分別進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，以3％H2O+97%H2作為燃料氣體，在650℃的工作溫度，電池達(dá)到最大功率密度1.04 W cm-2，0.4A cm-2恒流放電，穩(wěn)定運(yùn)行72 h，經(jīng)歷5次氧化還原循環(huán)后，開(kāi)路電壓(OCV)和最大功率密度均未發(fā)現(xiàn)明顯衰減。⑵系統(tǒng)分析了Ni和Ni0.9Fe0.1合金支撐的SOFC在CH

4、4燃料中的性能，發(fā)現(xiàn)兩類(lèi)支撐體對(duì)CH4的重整能力存在差異，導(dǎo)致到達(dá)陽(yáng)極功能層參加電化學(xué)反應(yīng)的氣體成分不同，進(jìn)而影響電池性能。應(yīng)用第一性原理計(jì)算了Ni和Ni0.9Fe0.1合金對(duì)C和H2O吸附能，分析了C在金屬支撐體表面產(chǎn)生的機(jī)理。研究結(jié)果表明，加入10 mol%Fe可以提高合金對(duì)H2O的吸附性能，降低對(duì)C原子的吸附。Ni-Fe合金支撐的SOFC在650℃下，以增濕的CH4為燃料，其最大功率密度達(dá)到1.01 W cm-2，在0.4 A c

5、m-2電流密度下恒流放電，電池工作電壓在50h測(cè)試中從0.65V降低到0.60V。測(cè)試之后，Ni0.9Fe0.1合金支撐體中發(fā)現(xiàn)無(wú)定型積碳，而陽(yáng)極功能層沒(méi)有明顯積碳。⑶為了進(jìn)一步改善支撐體對(duì)CH4的重整性和抗積碳性能，提高M(jìn)S-SOFC在CH4氣氛中的穩(wěn)定性，采用水溶液注入法，在多孔金屬支撐體中注入NiTiO3(NTO)，對(duì)其表面進(jìn)行改性。NTO在還原氣氛中能夠分解成Ni和TiO2，TiO2表面存在大量氧空位，有助于提高支撐體對(duì)H2O的

6、吸附性能，從而提高CH4重整活性，此外，TiO2通過(guò)與金屬支撐體界面之間的強(qiáng)交互作用，可以有效抑制金屬Ni顆粒的長(zhǎng)大，避免支撐體表面積碳。電池在650℃的最大功率密度為1.04Wcm-2，在96h恒流放電測(cè)試過(guò)程中(電流密度為0.4Acm-2)，電池工作電壓略有衰減。對(duì)電池實(shí)際工作過(guò)程中的交流阻抗譜進(jìn)行解卷積，結(jié)果表明隨NTO擔(dān)載量的增加，電池重整過(guò)程、氣體擴(kuò)散過(guò)程以及氣體與離子耦合反應(yīng)過(guò)程均有不同程度加快。O2-TPO表明在支撐體中注