微管式SOFC非对称复合阳极制备及其乙醇电催化氧化性能研究

微管式固体氧化物燃料电池（MT-SOFC）由于体积功率密度高、启动和稳定时间快、抗热震性好等优点日益受到人们的青睐。本课题提出一种新的具有良好电催化活性和抗积碳性能的直接乙醇MT-SOFC非对称复合阳极的制备方法，即基于聚合物溶液诱导相转化原理，采用三环孔模具一步法制备出同时具有梯度孔结构和双阳极组成的非对称复合阳极微管。课题将研究非对称复合阳极微管的两层不同组成的电化学性能，以及不同微结构间的化学和热机械匹配性能。通过调节阳极组成和制备条件，设计和控制非对称复合微管阳极的微结构及孔隙率分布。分别从理论和实验两方面，研究非对称复合阳极的组成和孔隙分布对MT-SOFC的乙醇电催化性能和抗积碳性能的影响。通过该课题的研究，揭示非对称复合阳极支撑的直接乙醇MT-SOFC抑制积碳机理，掌握抗积碳的非对称复合阳极关键制备技术，为开发高性能直接乙醇MT-SOFC奠定理论和技术基础。

微管式固体氧化物燃料电池 (MT-SOFC) 因其传质传热面积大，体积功率密度高，升降温速率快等优点，受到了人们的广泛关注。本课题拟利用基于相转化法的共纺丝-共烧结技术一步制备出双组成阳极中空纤维膜，以此构造MT-SOFC，并对其性能进行系统研究，以期简化制备工艺，提高输出性能。该课题基本按计划进行，主要进行的工作有：1）利用自行设计的三环喷丝模具一步制备出了YSZ/LSM-YSZ20(wt%)和LSM-YSZ40/LSM，YSZ/Ni-YSZ，Ni-YSZ /Cu-CeO2-YSZ四种双层中空纤维，并分别用于阳极和阴极支撑的MT-SOFC。2）以1350和1400°C烧结的YSZ/LSM-YSZ20(wt%)为基础的H2/AIR阴极支撑MT-SOFC最大输出功率密度分别为290和283 mW•cm-2(850°C)，此过程主要受极化阻抗控制。为减少极化，具有LSM-YSZ40阴极功能层的MT-SOFC最大输出功率密度提高至为475 mW•cm-2。阴极功能层的加入明显降低了阴极的极化阻抗。3）通过电解质的挤出速率和阳极微结构的调整，电解质厚度为13µm，非溶剂乙醇的添加量在20wt%时，阳极支撑的MT-SOFC最大功率密度约485 mW cm-2(850°C)。4）成功制备了双组成抗积炭阳极Ni-YSZ/Cu-CeO2-YSZ，以此构造双阳极支撑MT-SOFC。以甲烷为燃料时，具有良好的抗积炭性。当阳极功能层厚度为13µm时，850°C时最大的输出功率可高达566 mW•cm−2，可稳定运转85h。5）初步考察了直接乙醇双组成阳极MT-SOFC的输出性能，850°C时最大功率密度为350 mW cm-2。6）设计和开发了钙钛矿型材料，如SrCo0.8Fe0.1Ga0.1O3-a(SCFG)、Ba0.5Sr0.5(Co0.8-xZrx)Fe0.2O3-a(BSCFZ)、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-a (BSCF)、La0.6Sr0.4Co0.8Ni0.2O3-a(LSCN)以及BaCe0.95Tb0.05O3-a (BCTb)等，发现Zr、Ga掺入后可以有效增加Co基材料的稳定性；Ni的掺杂能提高材料的催化性能；Tb元素可提高BaCeO3的离子和电子导电性。