固体氧化物燃料电池阳极支撑材料Ni/YSZ在电场作用下的碳沉积行为与机制

固体氧化物燃料电池在正常运行时，其阳极支撑材料（Ni/YSZ）处于一定强度的电场作用下。申请人的前期工作表明，上述电场对Ni/YSZ在CH4/CO下的碳沉积行为有显著影响。据此，本项目拟结合现代催化剂评价技术与现代材料分析测试技术研究Ni/YSZ在不同强度电场作用下的碳沉积行为和机制，指出电场强度对其积碳温度、速率以及可逆性的影响，阐明阳极支撑在不同强度的电场作用下所沉积碳的种类、结构特性和形貌特征等本质属性，弄清阳极支撑材料在上述积碳行为和机制作用下所发生的失效行为（微结构、电导率和抗弯强度等的变化）。研究结果将为此研究领域提供一项必要的补充，并指明固体氧化物燃料电池在CH4/CO下运行的较佳工作条件。

固体氧化物燃料电池在“含碳燃料”下运行时所发生的碳沉积行为是影响其商业化的主要原因之一。本项目在国家自然科学基金（批准号：21103212）的资助下，结合理论和实验系统地研究了固体氧化物燃料电池及其阳极支撑材料在各类“含碳燃料”与不同工作条件下（尤其是在电场作用下）的碳沉积行为和机制。此外，本项目还根据评审人的反馈意见，进行了两种抗碳阳极材料的研究。.根据热力学计算，在温度高于750oC的条件下，固体氧化物燃料电池在S/C比例高于1.5的甲烷水蒸气重整的“含碳燃料”以及典型的煤制合成气“含碳燃料”下运行时，阳极支撑材料均不会发生碳沉积行为。然而在实际运行过程中，当“含碳燃料”中C/O过高时，都会导致其阳极支撑材料发生不同程度的碳沉积行为。这主要与抑制积碳的化学反应动力学较慢，以及“含碳燃料”中各组分的分布不均衡有关。在电场作用下，阳极支撑材料的积碳失效机理遵循“金属粉化机制”，即沉积的碳导致Ni颗粒不断粉化，最终与YSZ骨架脱离。温度升高导致这种失效行为更加显著，且停止供应“含碳燃料”后，固体氧化物燃料电池发生不可逆衰减。电场强度增加导致阳极支撑层沉积的石墨型碳增加，进而其电导率有所升高，固体氧化物燃料电池的性能衰减有所减缓。.开发了两种“抗碳”的钙钛矿基阳极材料与GDC/NiO基阳极材料。研究发现，采用高温固相法制备的La4Sr8Ti11Mn1-xGaxO38-δ (x=0, 0.25, 0.50, 0.75)具有单一的相结构、较高的分散性和比表面积，其热膨胀系数与YSZ材料基本一致，且当Ga掺杂量为0.5时，该体系材料具有最佳的电导率。采用溶胶凝胶工艺，分别制得了结构单一、形貌较好的GDC与NiO粉体。通过工艺优化，所制得的以GDC/NiO为复合阳极的固体氧化物燃料电池的最高功率密度可达0.6W/cm2。