直接碳固体氧化物燃料电池的阳极高温反应机理研究

直接碳固体氧化物燃料电池 (DC-SOFC) 采用煤炭经简单加工得到的碳燃料，理论效率接近100％，产物气体可集中处理，是一种高效的清洁煤新技术。但目前DC-SOFC的性能还有待提高，对其内部反应机理还不清楚。本研究结合化学热力学和动力学原理，将DC-SOFC内部可能涉及到的反应分离开来，它们是：阳极上发生的CO与电解质传递过来的O2－发生的反应或氧浓差电池发生的透氧反应、燃料上发生的Bouduard反应或普通燃烧反应。分别采用在SOFC中通以CO或Ar气、向盛有碳的石英管中通CO2或O2的简单反应装置对这些反应进行模拟，通过对这些模拟反应的性质（伏安特性曲线与交流阻抗谱）与DC-SOFC的性质进行比较分析，确定反应机理。同时，通过对这些模拟反应条件的改变对DC-SOFC性能影响的程度确定电池反应中的速率控制反应。上述研究将为提高DC-SOFC的性能指出努力方向并提供基本数据和理论依据。

直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFC）可通过电化学反应的方式，将碳中的化学能直接转换成电能，是一种潜在的高效清洁煤技术。对其机理的了解，有利于指导DC-SOFC材料的选择、制备工艺的改进，从而提高DC-SOFC的性能。本项目拟通过将DC-SOFC中可能发生的各种化学反应区分开，采用相应的单纯反应进行模拟，从而确认DC-SOFC阳极的反应机理。通过项目的实施，完成了立项时提出的研究任务，达到了预期的目标。取得了如下主要成果。.（1）通过向SOFC中直接通入CO来模拟预先假定的DC-SOFC的阳极反应，测定其输出特性曲线和阻抗谱，与DC-SOFC的性能进行比较，得到了完全相同的结果，直接证明了DC-SOFC的阳极反应就是CO的电化学氧化。生成的CO2扩散到碳燃料处，发生Boudouard反应生成CO，CO又扩散到阳极发生电化学氧化反应，如此循环，实现了DC-SOFC的连续运行。.（2）通过在DC-SOFC的阳极上采用对CO的电化学氧化具有促进作用的催化剂、在碳燃料上担载促进Boudouard反应的催化剂，得到了远高于未添加催化剂的DC-SOFC的性能，进一步验证了DC-SOFC的反应机理。.（3）研究结果表明：①Ag-GDC (Gd掺杂的CeO2)是一种很好的促进CO电化学氧化反应的催化剂；Fe、Co、Ni是很好的促进Boudouard反应的催化剂。②在DC-SOFC中，CO在阳极电化学氧化速率和碳燃料上发生的Bouduard反应速率相互牵制，速率较慢的为决速反应。除催化剂外，阳极和碳燃料的微观结构、碳燃料的量等都是影响各自反应速率的重要因素。③DC-SOFC的性能衰减主要是由碳燃料的烧结和碳燃料的量随运行时间而消耗减少所造成的。.（4）初步证明了传统的Ni基阳极也可直接采用碳燃料运行。直接在三节串联的锥管串接式SOFC电池组中使用担载Fe催化剂的碳燃料，得到了可与使用氢燃料相比的输出性能。.（5）提出可将DC-SOFC开发成一种高性能的便携式电源。设计了这种电源装置。.（6）初步证明(Ni0.75Fe0.25-5%MgO)/YSZ是一种潜在的DC-SOFC阳极材料。. 通过以上研究，已发表SCI收录论文6篇，另有1篇已被接受发表，还有2篇在审稿过程中；申请专利2项，其中1项已获授权。培养博士研究生6人，硕士研究生5人，其中3人已获得博士学位，3人获硕士学位。