直接碳氢燃料和基于离子扩散机制控制的新一代低温固体氧化燃料电池及过程机理研究

Currently, direct-hydrocarbons solid oxide fuel cells (SOFCs) have attracted tremendous attention worldwide as future green energy conversion devices for commercialization owing to their high-energy efficiency, low impact on the environment and excellent fuel flexibility. A novel ionic diffusion strategy to fabricate the next generation and low-operating-temperature solid oxide fuel cells in direct-hydrocarbons was investigated, which was demonstrated via experiments and produced stable power output without observable degradation of high tolerance to sulfur and coking with a proton conductor-based anode and doped ceria electrolyte. A proton conductor-based anode with a little excessive Ba element would diffuse from the anode side to the doped ceria electrolyte forming a proton conductor layer of electronic blocking after the high-temperature solid reaction, which can increase the open-circuit voltage (OCV) and the energy conversion coefficient. Thermodynamics and kinetics of the electrochemical reaction process are investigated, which make with a preliminary evaluation of energy efficiency and economics association by the experimental results. The new technology route of a novel ionic diffusion strategy to fabricate the next generation and low-operating-temperature solid oxide fuel cells in direct-hydrocarbons is verified and then the new economical and practical route and process are opened to direct the use of low-cost hydrocarbon fuels for solid oxide fuel cell as soon as possible

基于具有产业化发展基础的清洁高效直接碳氢化合物为燃料的固体氧化物燃料电池发电技术，研发一种新颖的离子扩散控制机制制备新一代低温固体氧化物燃料电池（LT-SOFC），以具有良好的抗积碳和抗硫中毒的金属Ni与质子导体电解质金属陶瓷相作为复合阳极，以掺杂的氧化铈为电解质。基于元素扩散机理的控制研究，在电池制备的高温下元素扩散到阳极电解质界面处，形成一层质子导体过渡层薄膜，有效的阻挡了DCO电解质在阳极侧还原气氛下Ce4＋向Ce3＋的还原，有效的阻止了电子电导的产生，提高电池的开路电压和能量转化效率。同时对整个电化学反应过程进行热力学和动力学研究，并与实验结构做比较分析，以期对这种燃料电池过程的能量效率和经济性做初步评价。验证确立通过直接碳氢燃料和基于元素扩散机制控制的新一代低温固体氧化燃料电池这一新技术路线的可行性，从而为直接利用低成本碳氢燃料的固体氧化物燃料电池早日实用化和产业化进开辟一条新的

作为21世纪的绿色清洁能源转换装置，固体氧化物燃料电池可以将碳氢燃料（如煤气、天然气、液化石油气、生物质气等）的化学能直接转化为电能，其过程具有能量转化效率高和对环境无污染等诸多优点。我国发展直接碳氢燃料低温固体氧化物燃料电池势在必行，但中低温化过程中还面临巨大挑战，尤其是掺杂氧化铈（DCO）电解质基电池。本项目通过构建新一代直接碳氢燃料低温固体氧化物燃料电池，以金属Ni与质子导体电解质相复合作为阳极，以掺杂的二氧化铈为电解质相，基于元素扩散机理的控制研究，在电池制备的高温下发生离子扩散到阳极电解质界面处，形成一层质子导体过渡层薄膜，有效的阻挡了DCO电解质的在阳极侧还原气氛下的还原，有效的阻止了电子电导的产生，提高电池的开路电压和能量转化效率。同时利用质子导体阳极材料的抗积碳的作用，我们设计出了可以直接使用碳氢燃料的电池稳定构型。显然，本项目所开发的直接碳氢燃料和基于离子扩散机制控制的新一代低温固体氧化燃料电池具有产业化前景。