积碳形态及其动态过程对使用含碳燃料的固体氧化物燃料电池镍基阳极性能的影响

Traditional Ni-based anode of a solid oxide fuel cell (SOFC) operated with carbon-containing fuel is often deactivated because of carbon deposition. Efforts, including getting rid of nickel in the anode, have been focused on avoiding carbon formation to solve this problem, but they have never got complete success. Based on the mechanisms of carbon fiber growth caused by nickel and carbon containing gas interaction, considering the special structure of a nickel-based anode of SOFC, and according to some corresponding initial experimental results, it is proposed that the dynamic process of the interaction between nickel and carbon-containing gas determines the forms of carbon deposited on the anode, and carbon fiber growth is the cause of anode deactivation. The relation of stress, arisen in the anode through the interaction of Ni with carbon-containing fuel, with the interaction time will be measured to determine the exact step causing the deactivation. Measures, including alloying Ni with other metals, occupying the favorite facet for Ni-graphite formation, and enhancing the mechanical strength of anode skeleton, have been suggested to prevent the anode from deactivation, so that the highly active Ni-based anode can be used in SOFCs operated on carbon-containing fuel. The way proposed here for researching and developing Ni-based anode for SOFCs using carbon-containing fuel is from a brand new standpoint, and it is hopeful that the problem of anode deactivation can be completely solved in this way.

固体氧化物燃料电池（SOFC）使用含碳燃料时，往往由于积碳造成传统的镍基阳极失效。为解决此问题，人们一直将注意力集中在如何避免积碳上，很多研究涉及到避免使用高效的镍基阳极，但一直没有从根本上解决问题。本项目从镍与含碳气体分子作用生长碳纤维的机理出发、结合SOFC镍基阳极的结构特点、根据前期初步研究结果，指出含碳气体与镍作用的动力学过程是决定积碳形态的关键，而其中以碳纤维形态出现的积碳是造成SOFC镍基阳极失效的根本原因。拟通过测定镍基阳极与含碳燃料作用时产生的应力随时间的变化确定碳纤维生长过程中导致阳极失效的具体步骤，并据此提出通过将镍合金化、通过掺杂占据镍-石墨形成的优势面和加强阳极骨架的强度等抑制镍基阳极失效的措施，从而使高效的镍基阳极能在使用含碳燃料的SOFC中发挥作用。本项目为研制含碳燃料的SOFC阳极提出了一个全新的角度和方向，有望从根本上解决含碳燃料的SOFC阳极失效问题。

固体氧化物燃料电池（SOFC）使用含碳燃料时，往往由于积碳造成传统的镍基阳极失效。为解决此问题，人民一直将注意力集中在如何避免积碳上，很多研究涉及到避免使用高效的镍基阳极，但一直没有从根本上解决问题。本项目从镍与含碳气体分子相互作用的机理出发，采用原位热膨胀测试、原位XRD测试、SEM、TEM等测试手段，系统地研究了含碳燃料（甲烷和一氧化碳）与Ni-YSZ阳极相互作用时Ni-YSZ的体积变化、Ni晶格变化、以及Ni-YSZ 上的积碳规律。结果表明：.（1）含碳气体在Ni-YSZ上的积碳速率，在较低温区，主要受动力学因素影响，而在高温区域，主要受热力学平衡限制；.（2）镍基阳极与含碳气体相互作用时，在500-700C温区，积碳形态主要是碳纤维，而在高温（例如800C）时，主要是包覆在Ni颗粒表面的石墨碳；.（3）Ni-YSZ阳极与含碳气体相互作用时，伴随包覆碳的形成所造成（较高温区）的体积变化速率比伴随碳纤维的形成（较低温区）产生的体积变化速率大；.（4）Ni基阳极与含碳气体相互作用时，只有在高温和相互作用的初期，能够观察到镍金属晶格常数的增加，随着时间的推移，增加的晶格参数随后减小；600C时，镍金属与含碳燃料开始相互作用而增加的晶格参数会随着作用时间的推移又回到作用之前的大小，但800C作用时，晶格参数先增大大后减小，但不能回到作用前的数值。其原因可能跟碳溶解到镍晶格中形成亚稳态有关。当温度降到室温，镍的晶格常数跟没有跟含碳气体作用过的相同。.总之，镍基阳极在使用含碳气体燃料时的失效直接跟高温下碳溶入镍金属中有关，根据该项目的研究结果，可通过将镍合金化、通过掺杂占据镍-石墨形成的优势面和加强阳极骨架的强度等抑制镍基阳极失效的措施，从而使高效的镍基阳极能在使用含碳燃料的SOFC中发挥作用。