基于NH3燃料的高效中温质子导体固体氧化物燃料电池多孔阳极的设计制备及反应机理

Ammonia (NH3) is a hydrogen-rich energy carrier. NH3 has unique advantages including high volumetric energy density, easy liquefied storage, senior safety, and no end-user CO2 emission. Intermediate-temperature proton conducting direct ammonia solid oxide fuel cell (NH3-SOFC) is one feasible pathway for high-efficiency and clean NH3 utilization, and it’s the key to understand anodic reaction mechanism and fabricate active porous anode from the perspective of NH3 activation. In this project, we will first fabricate proton-conducting NH3-SOFC pattern electrodes through magnetron sputtering and measure Tafel curves of the patterned electrodes to obtain intrinsic kinetic parameters of NH3 through resistance fitting. Using these parameters, we will build an elementary reaction kinetic model and clarify the reaction pathways and rate-limiting steps of proton conducting NH3-SOFC. Next, we will design and fabricate high-performance novel porous anode for intermediate-temperature proton conducting NH3-SOFC by co-impregnation, and illustrate the mechanism for the synergistic enhancement of reaction and transport processes by combining high-temperature in-situ characterization and reaction-transport model. This project will offer theoretical fundamental and prototype technique for efficient and clean NH3 utilization.

氨（NH3）是一种高体积能量密度、易液化存储、高安全性和无碳排放的富“H”能源载体，中温质子导体直接NH3固体氧化物燃料电池（NH3-SOFC）是实现NH3清洁高效利用的有效途径，其关键在于开发出面向NH3燃料的高性能多孔阳极。本项目拟通过磁控溅射法设计制备出针对NH3燃料的质子导体SOFC图案电极，测定其Tafel曲线，通过阻抗拟合法，获得质子导体NH3-SOFC的本征动力学数据，建立基元反应动力学模型库，阐明质子导体NH3-SOFC阳极反应路径及速率控制步骤。以此为基础，通过共浸渍法，设计制备出适用于NH3燃料的高性能中温质子导体NH3-SOFC新型多孔阳极，利用高温原位表征结合反应传递模型，揭示阳极反应传递过程的协同强化作用机制。研究结果能为NH3燃料的清洁高效利用提供新思路，为发展面向NH3为燃料的中温质子导体NH3-SOFC燃料电池技术提供研究基础。

本项目以质子导体直接NH3-SOFC为研究对象，首先，利用金属Ni网格嵌入法制备了可以定量调控电化学反应活性面积(TPB)的Ni-BZY图案电极，通过分析工作电压，温度，入口气体浓度对图案电极电化学性能的影响，获得了电池的本征动力学数据，确定了NH3-SOFC图案电极的反应机理和反应速率控制步骤；在此基础上，建立了质子导体NH3-SOFC基元反应动力学模型，鉴别了SOFC阳极的气体浓度和表面物种的分布情况及反应速控步骤，划分了氨分解区和电化学反应区，并研究了各参数对质子导体直接NH3-SOFC电化学性能及阳极组分的影响，并基于计算结果进一步提出了提高NH3-SOFC性能的策略。优化后，电池的氨利用率大幅提高，离子电流密度提升了41%，NH3/H2性能比从76%升高至98%。进一步，在本项目资助下，开发了中温质子导体Ni-BCZY/BCZY/BSCF阳极支撑SOFC，在较低温度下取得了较好性能；同时，设计制备了系列阳极催化剂，包括不同形貌和Zr改性的Ni/CeO2催化剂、Ni/BaZrO3和析出型SrTiNiCoO3钙钛矿型催化剂；在此基础上，为了进一步促进Ni析出，在Ni掺杂的基础上进行了A位缺陷，对单钙钛矿结构SrTiO3进行改良，制备出一系列Sr1–xTi1–yNiyO3+δ氧化物。其中以Sr0.9Ti0.8Ni0.2O3+δ最为优异, 在800oC，纯H2下，燃料电池性能达到287.1 mW/cm2，纯NH3下，燃料电池性能达到262.7mW/cm2，优于在相同条件下测试的NiO阳极单电池性能。最后，开发了管式NH3-SOFC反应单元，并建立了多尺度、多物理场的反应传递耦合模型，通过入口气体组分和流量的优化有效提高氨分解率，氢利用率以及燃料电池总效率。基于本项目研究，已发表 SCI 学术论文10篇；申请国家发明专利10件，其中授权3件。圆满完成了项目的研究目标和考核指标。