固体氧化物燃料电池的CH4燃料原位重整金属支撑体研究

Novel metal-supported solid oxide fuel cells (MS-SOFC) differ from cermet anode-supported SOFC, with low cost, high structural strength and thermal shock resistance. The CH4 on-cell reforming metallic support for SOFC should be more active for catalytic reforming and resistant for carbon deposition. The microstructure are accurately manipulated to improve reforming activity and carbon deposition resistance in metallic support for CH4 on cell reforming, by combining loaded catalyst with metal support. Ni-Fe alloy supported SOFC will be fabricated by tape casting-screen printing-cofiring with NiO and Fe2O3, and metal support are modified with Ni/TiO2 coated onto the stem of Ni-Fe alloy 3D scaffold by infiltration method. On this basis, the method combined theoretical calculation with experiments is used to illuminate strong metal-support interaction principle in Ni/TiO2 coated Ni-Fe alloy and carbon resistance mechanism, and explore the effect of different support composition and microstructure on CH4 reforming and MS-SOFC electrochemical performance. Present study will play an important role in exploring experiment and theoretical basis for MS-SOFC anode material and microstructure design based on hydrocarbon fuel.

金属支撑固体氧化物燃料电池（MS-SOFC）是一种不同于传统金属陶瓷阳极支撑的新型燃料电池，具有成本低廉，结构强度高，抗热震性好等优点。SOFC的CH4原位重整金属支撑体需具备良好的催化重整活性和抗积碳性能。本项目将负载型催化剂与金属支撑体相结合，精确调支撑体控微观结构，实现金属支撑体重整性和抗积碳性的双重优化。以NiO和Fe2O3为原料，采用流延-丝网印刷-共烧结工艺制备Ni-Fe合金支撑固体氧化物燃料电池，通过溶液注入法在三维网络Ni-Fe合金骨架表面包覆Ni-TiO2复合颗粒。在此基础上，结合理论模拟计算，阐明Ni-TiO2界面强相互作用及其抗积碳机理，探究Ni-Fe合金支撑体微观结构调控规律，明晰金属支撑体成分和结构对CH4重整性能和MS-SOFC电化学稳定性的影响规律。研究将为基于碳氢燃料的MS-SOFC阳极材料组成和微观结构设计提供实验和理论依据。

金属支撑固体氧化物燃料电池（MS-SOFC）是一种不同于传统金属陶瓷阳极支撑的新型燃料电池，具有成本低廉，结构强度高，启动速度快，抗热震性能好等优点。然而，将金属引入到SOFC中作为支撑体，在材料选择、电池制备工艺和燃料气体种类等方面面临很多新的问题，尤其是对于直接CH4的MS-SOFC。SOFC的CH4原位重整金属支撑体需具备良好的催化重整活性和抗积碳性能。.项目以NiO和Fe2O3为原料，应用流延-丝网印刷-高温共烧结-原位还原的工艺制备多孔金属支撑固体氧化物燃料电池（MS-SOFC）。系统研究了支撑体中Fe含量对MS-SOFC的残余应力、抗弯断裂强度和电化学稳定性的影响。结果表明，在NiO中加入10at.%Fe2O3，使得支撑体致密化开始温度提高到973°C，残余应力和变形翘曲度分别低至70Mpa和0.15mm；还原之后，Ni0.9Fe0.1支撑SOFC抗弯断裂强度达到最大值62.34Mpa；电化学测试过程中，Ni0.9Fe0.1支撑SOFC在650℃下，以H2为燃料，在400mA·cm-2电流密度下稳定运行60h，主要因为电池具有较高的断裂强度，能够抵抗运行过程中的热应力。.为了提高MS-SOFC在CH4燃料中的稳定性，在多孔金属支撑体中注入NiTiO3(NTO)。NTO在650°C的还原气氛中能够分解成TiO2负载Ni的复合纳米颗粒（Ni- TiO2）。实验结果表明在Ni-Fe合金支撑体中注入3wt.%NTO，能够显著提高金属支撑体的催化活性和电池的电化学性能。以CH4为燃料，电池在650°C的最大功率密度为1.2Wcm-2，在96h恒流放电测试过程中(0.4Acm-2)，电池工作电压略有衰减。对电池实际工作过程中的交流阻抗谱进行解卷积，结果表明随NTO担载量的增加，电池重整过程、气体扩散过程以及气体与离子耦合反应过程均有不同程度加快。O2-TPO表明在支撑体中注入3wt%的NTO能够有效抑制积碳。.在MS-SOFC支撑体外层添加NTO重整催化层，提高电池在CH4燃料中的稳定性能。还原气氛下，NTO分解为Ni-Fe/TiO2颗粒。TEM表明，Ni-Fe颗粒锚固在TiO2基体上，与基体产生强交互作用，提高电池在CH4燃料中的稳定性能。结果表明含有重整层的MS-SOFC在650°C的峰值功率密度为1.34W·cm-2明显高于没有重整层的M