具有质子传导能力的直接碳氢化合物SOFC阳极抗积碳性能的研究与调控

As a high-efficient electrochemical energy conversion device, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) plays important role in the future clean energy systems due to its wide range of fuels as well as low pollution. However, the heavy carbon deposition over conventional nickel cermets anodes has hindered its widespread application while hydrocarbons are directly used as fuels. Therefore, it is of great scientific significant to improve the coke resistance of Ni-based anode. This project intends to apply proton-conducting oxide as the ionic-conducting phase of anode for direct hydrocarbon SOFC (D-HC-SOFC), in order to efficiently remove the carbon deposition via the dissociative adsorption of water in the formed BaO/Ni interface, thus improves the coke resistance of anode and its long-term operation stability. The close relationship between the formation of BaO/Ni interface and the Ba nonstoichiometry is investigated, and then the effect of the interface on the coke resistance of the anode is determined. The relationship between the coke resistance of anode and its physicochemical properties is achieved. This study not only proposes a method for improving the coke resistance of anode, but also is helpful to develop a novel anode with high coke resistance for D-HC-SOFC.

作为一种高效的电化学能量转化装置，固体氧化物燃料电池（SOFC）以其燃料适用范围广和低污染等优势在未来清洁能源体系中具有重要的地位。但当直接采用碳氢化合物为燃料时，传统Ni基阳极的积碳问题阻碍了其广泛应用。因此，提高Ni基阳极的抗积碳能力具有十分重要的科学意义。拟采用具有非化学计量比的质子导体氧化物作为直接碳氢化合物SOFC （D-HC-SOFC）复合阳极中的离子导电相，利用其在复合阳极中所生成的BaO/Ni界面的水吸附能力有效消除积碳，进而提高阳极抗积碳能力和单电池的长期操作稳定性。重点考察BaO/Ni界面的生成以及量、形貌与Ba非化学计量比之间的紧密联系以及对其阳极抗积碳性能的影响；阐明阳极抗积碳性能与其物理化学性质之间的关系。本项目的开展不仅能够提供一种通过调控阳极组分来提高其抗积碳能力的新方法，而且有助于开发具有良好抗积碳能力的新型D-HC-SOFC阳极材料。

质子导体固体氧化物燃料电池由于操作温度低、燃料适用范围广和低污染等优势在未来清洁能源体系中具有重要地位。然而当直接以碳氢化合物作为质子导体固体氧化物燃料电池的燃料时，传统Ni基阳极存在严重的积碳问题。为了解决以上问题，本项目以开发抗积碳的质子导体固体氧化物燃料电池为研究目标，采用溶胶凝胶法，浸渍法等不同的手段制备出了具有非化学计量比的BaxZr0.4Ce0.4Y0.2O3-δ（BxZCY4, x=0.95，1.00和1.05）质子导体氧化物和La2NiO4氧化物作为直接碳氢化合物固体氧化物燃料电池复合阳极中的离子导电相和催化剂涂层以提高阳极的抗积碳性能。采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等分析手段对所合成的材料的结构和组分进行了系统分析；采用热重分析法、H2程序升温脱附法、均相气体催化反应和拉曼光谱技术研究了合成材料的抗积碳性能和对碳氢化合物的催化转化能力；并采用电化学性能测试和交流阻抗谱等对这些材料作为以碳氢化合物为燃料的质子导体固体氧化物燃料电池阳极时的电化学性能进行了深入的研究。结果表明，改变非化学计量比对抗积碳能力的提高较为有限；但是在质子导体固体氧化物燃料电池阳极上制备La2NiO4催化剂涂层能够有效提高阳极的碳氢化合物的催化转化能力、抗积碳能力、电化学性能以及长期操作稳定性，并且在发电的同时，能够在燃料电池的阳极产生高纯度的合成气。本项目不仅探索出了一种能够实现质子导体固体氧化物燃料电池在碳氢化合物中长期稳定操作的新思路，而且还成功实现了电-合成气联合共生技术。这些结果具有一定的应用潜力，为实现质子导体固体氧化物燃料电池的商业化提供了理论和实验依据。