固體氧化物燃料電池甲烷直接氧化陽極制備及反應(yīng)機(jī)理研究.pdf

1、本課題采用浸漬與流延工藝相結(jié)合的方法制備了添加CeO2的Cu/YSZ和Ni/YSZ直接氧化陽極材料。Ce或摻雜的CeO2等材料對甲烷具有較高的催化活性，向陽極中加入CeO2能夠提高Cu基陽極的電極性能；可以在一定程度上抑制還原后Ni的團(tuán)聚，從而提高陽極材料的性能。本課題通過相應(yīng)的物理表征方法、化學(xué)及電化學(xué)方法研究制備工藝對陽極性能的影響以及陽極結(jié)構(gòu)、操作條件等對電池性能的影響，制備具有一定抗積碳性，性能穩(wěn)定的甲烷直接氧化陽極。在此基礎(chǔ)上

2、對CeO2的抗積碳作用機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)研究，并對CeO2-Ni/YSZ陽極的甲烷反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　首先采用復(fù)合流延工藝可成功制備p-YSZ/d-YSZ，添加65mass％造孔劑制備的p-YSZ/d-YSZ既具有足夠的孔隙率，又與電解質(zhì)結(jié)合緊密，其孔隙率為65vol%～67vol%。通過離子浸漬法可以制備得到所需要的CeO2-Cu/YSZ陽極。研究浸漬條件對陽極性能的影響，結(jié)果表明采用抽真空浸漬有利于活性組分在多孔陽極中的均勻

3、分布；先浸漬CeO2然后浸漬Cu的電極性能較好。Pt漿為陰極組裝電池，800℃氫氣和甲烷條件下，其最大功率密度分別為113mW/cm-2和20mW/cm-2。800℃時甲烷在CeO2-Cu-YSZ陽極進(jìn)行裂解反應(yīng)120min，陽極質(zhì)量無明顯變化。該陽極具有良好的抗積碳性能，但電池性能較低。
　　其次是流延制備多孔Ni/YSZ陽極，然后采用離子浸漬法向多孔電極中添加Cu和CeO2可以成功制備Cu-Ni/YSZ陽極與CeO2-Cu-N

4、i/YSZ陽極。CeO2添加量為2mass%的CeO2-Ni/YSZ陽極性能最好，LaSr0.2Mn0.8O3(LSM20)為陰極800℃時電池的最大功率密度在氫氣和甲烷條件下分別為378mW/cm-2和238mW/cm-2，添加CeO2可以有效提高電池在甲烷條件下的催化性能。減少流延陽極中Ni含量，以Cu代替，CuO含量為15mass%，CeO2含量為5mass%的CeO2-Cu-Ni/YSZ陽極組裝成模擬電池在800℃氫氣條件下放電

5、電池的最大功率密度為302mW/cm-2，甲烷條件下最大功率密度為80mW/cm-2?？疾旒淄樵贜i/YSZ陽極、CeO2-Ni/YSZ陽極和CeO2-Cu-Ni/YSZ陽極上的裂解反應(yīng)，結(jié)果表明Cu和CeO2的加入可以減少陽極積碳。通入甲烷30min后，Ni/YSZ陽極增重13.4mass%，CeO2-Ni/YSZ陽極增重5.41mass%。CeO2-Cu-Ni/YSZ陽極在甲烷條下120min，其質(zhì)量無明顯變化，性能穩(wěn)定。采用浸漬法

6、可成功制備低Ni含量的Ni/YSZ陽極，Ni含量為25mass%～30mass%為最佳。共浸漬法向Ni/YSZ陽極中加入CeO2可以提高電極性能。XRD和SEM分析結(jié)果表明添加CeO2提高了陽極中Ni的分散性，可以抑制還原過程中的Ni團(tuán)聚。電化學(xué)交流阻抗測試表明，添加CeO2降低電池的極化電阻，提高電極的催化活性。甲烷為燃料時，電池反應(yīng)電阻較大，說明甲烷在SOFC陽極的反應(yīng)比氫氣復(fù)雜。研究煅燒溫度對陽極性能的影響，800℃煅燒的陽極在7

7、50℃～800℃測試時，具有最佳電極性能。采用單層LSM20為陰極，共浸漬法制備25mass%Ni-10mass%CeO2為陽極，組裝電電池，穩(wěn)定后800℃氫氣和甲烷條件下電池最大功率密度分別為520mW/cm-2和360mW/cm-2。甲烷條件下電池穩(wěn)定運行12h，無性能衰減。
　　最后通過氣相色譜分析陽極產(chǎn)物組成及電子轉(zhuǎn)移與燃料組分衡算研究CeO2的抗積碳作用機(jī)理及Ni-CeO2陽極上甲烷反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明Ce4+/Ce3+的