直接碳氢化合物SOFC新型双钙钛矿结构阳极材料的研究

Solid oxide fuel cell (SOFC) higher operating temperature (500-1000 oC) make its fuel flexibility, the use of hydrocarbons used as fuel significantly reduces the problem hydrogen storage for hydrogen fuel. However, the commonly Ni/YSZ anode material will suffer from carbon deposition and sulfur poisoning in the operating temperature which makes the cell performance reduce dramatically. This study developed a novel double perovskites structure LnBaFe2O5+δ (Ln = Pr, Nd, Sm, Gd) anode material, through doping alkaline earth element or compound with the electrolyte material and impregnated with electrolyte, to develop highly catalytic anode with the capability to resistant to carbon deposition. The microstructure of these materials, high-temperature electron and ion transport mechanism, the fuel gas in the anode electro-catalytic reaction mechanism were investigated in detailed, with a view to the theory and performance breakthrough for the design of a new class of direct hydrocarbon SOFC anode materials to provide guidance to expand the range of options SOFC anode materials.

固体氧化物燃料电池（SOFC）较高的工作温度（500-1000 oC）使其对燃料具有很大适应性，采用碳氢化合物作燃料大大减少了常用的氢燃料存在的储氢难题。然而，常用的Ni/YSZ阳极材料采用碳氢化合物作燃料时会出现碳沉积现象，从而在很大程度上降低了电池的输出性能。本项目拟对新型双钙钛矿结构的LnBaFe2O5+δ（Ln=Pr，Nd，Sm，Gd）基阳极材料进行研究，通过对其进行碱土金属离子掺杂和与电解质材料复合以及浸渍的方法，优化该类材料的性能，以期获得具有良好耐积碳能力和高催化性能的直接烃类SOFC阳极材料。系统研究该类材料的微结构、高温电子离子输运机制、燃料气体在阳极的催化氧化反应机理，以期从理论和性能上取得突破，为设计一类新型的直接碳氢化合物SOFC阳极材料提供指导性意见，扩大SOFC阳极材料的选择范围。

作为一种混合离子-电子导电材料，双钙钛矿结构的阳极材料由于具有较好的电子电导率和离子电导率引起了人们越来越多的关注。本项目在制备LnBaFe2O5+δ阳极材料的基础上，掺杂碱土金属Sr离子的方法，制备了LnBa1-xSrxFe2O5+δ（Ln=Pr，Nd）阳极材料；为了进一步提高该类材料的离子电导率，我们采用物理混合和化学浸渍的方法，分别制备了LnBaFe2O5+δ（Ln=Pr，Nd）-SDC复合阳极材料。研究表明，Sr离子的引入，使得材料出现了从层状钙钛矿向单钙钛矿的转变，电导率随掺杂含量升高而降低，掺杂Sr含量为0.25的PrBa1-xSrxFe2O5+δ阳极样品表现出了最佳电池性能，850 oC时最大功率分别为528 mW cm-2；LnBaFe2O5+δ（Ln=Pr，Nd）-SDC复合阳极材料中，复合比例40% SDC的PrBaFe2O5+δ-SDC阳极表现出了最佳的电池性能，900 oC时，其最大电池功率为0.334 W cm-2；SDC修饰的NdBaFe2O5+δ阳极材料，甲烷气氛中，浸渍次数为2次的样品表现出了最好的输出性能，900 oC时电池最大输出功率为253 mW cm-2。本项目为设计一类新型的直接碳氢化合物SOFC阳极材料提供了指导性意见，扩大SOFC阳极材料的选择范围。