基于碳质燃料的液态锑基合金阳极固体氧化物燃料电池研究

Thermal power plants mainly fueled with coal consumed a large number of non-renewable sources and at the same time leased numerous greenhouse gases, dust, and other pollutants. Utilization of solid carbonaceous fuels through direct carbon solid oxide fuel cell (DC-SOFC) technology not only can reduce greenhouse gas and pollutant emissions, but also can efficiently generate clean electricity, which is beneficial to both society and economy. Liquid metal anode DC-SOFC shows certain advantage by overcoming the poor chemical and physic contact of solid carbon and oxygen ions. In view of the high temperature corrosion of electrolyte and inadequate utilization of carbon fuels, this proposal plans to carry out the following studies: digging out the corrosion mechanisms and filtrating out the electrolyte with highest corrosion resistance by chemical compatibility experiments of liquid Sb2O3 and electrolyte, improving the anode electrochemical performance and chemical compatibility of anode and electrolyte by alloying antimony with other metal elements, and increasing the energy conversion efficiency and fuel utilization by DC-SOFC+SOFC series power generation. The results of this proposal will provide reference and guidance for fabrication of durable liquid metal anode DC-SOFCs.

以煤炭为主要燃料的热力发电不仅消耗大量不可再生能源，还释放大量温室气体以及粉尘等污染物。基于固态碳质燃料的直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFC）技术不仅可以减少温室气体和污染物排放，还可以高效地获得清洁的电能，具有良好的社会和经济效益。液态金属阳极DC-SOFC克服了碳燃料与氧离子之间物理化学接触差的弱点，具有一定的技术优势。但是该技术路线面临着电解质遭遇高温侵蚀以及燃料利用不充分等问题，针对这些问题，本项目拟开展以下研究：通过液态Sb2O3与电解质的化学相容性研究明晰电解质侵蚀反应的机制并筛选化学相容性较好的电解质材料，通过锑阳极合金化优化提升阳极的电化学性能并改善阳极与电解质的化学相容性，通过DC-SOFC+SOFC梯级发电提升燃料的能量转换效率以及利用率。成果可以为制备高耐久性的液态金属阳极DC-SOFC提供借鉴和指导意义。

DC-SOFC 技术的发展受制于电池性能平庸、燃料利用不充分以及电池寿命短等因素。基于碳燃料的液态Sb阳极DC-SOFC 发电技术，使用Sb-Sb2O3 体系作为液态的阳极，采用化学回路燃烧方法利用碳燃料，提高了电池的性能以及燃料利用率，并可以实现电池工作过程中二次添加燃料。本项目研究电解质经受高温液态阳极侵蚀地的机理，探究阳极合金化策略可行性，并采用梯级发电提高碳燃料的效率和利用率，顺利完成原定计划目标。研究获得的主要结论如下：.（1）Sb1-x-Agx（x ＝ 0.1、0.2、0.3）合金阳极初始电化学性能随Ag含量的增加而降低，在工作过程中会发生元素再分布，沿重力方向出现了富Sb和富Ag相，发生性能活化；.（2）掺杂惰性元素，占据了金属与氧离子反应的活性位置，因而会降低电池的性能；加入少量活性元素可以提升电池初始OCV，提升电池的极限电效率，但是生成的高熔点氧化物损害电池性能；.（3）液态阳极环境下，Y从YSZ电解质中脱溶，液态Sb和Sb2O3沿着电解质晶界向其内部扩散； Sb沿着GDC电解质的晶界扩散到内部，造成晶粒散碎，然后脱落，导致电解质减薄；.（4）添加了Fe2O3的GDC电解质较GDC耐蚀性有明显提升，受益于小晶粒带来的更长的晶界长度，使得Sb的渗透更加曲折，向深层的渗透更为困难，电化学模式下腐蚀厚度仅为GDC电解质的2/5；.（5）管式DC-SOFC本质上是化学回路燃烧耦合SOFC，不仅实现了CO2易分离，还直接将燃料的部分化学能转变成电能，是一种非常先进的燃料利用技术；.（6）管式DC-SOFC在800°C以0.4A cm-2工作时，尾气中CO和CO2的流量分别为2.00±0.04和1.79±0.04ml min-1；使用管式SOFC对尾气进行二次利用，可以将燃料11.1%的能量转变成电能；.（7）梯级发电可以将燃料48.6%的化学能直接转变成电能，高于火力发电的效率；