直接甲烷SOFCs三维梯度阳极NiO-SLT/SLT的制备及电化学性质的研究

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种电化学能量转换装置，具有高效、清洁、燃料适用范围广等优点。其中，直接采用甲烷为燃料代替氢气一直是SOFCs研究的热点，而传统的Ni基阳极在催化甲烷的过程中存在着积碳现象，已经成为直接甲烷SOFCs发展的主要障碍。本课题结合扩散阻挡层通过控制气体浓度达到抗积碳目的的设计理念，针对目前双层阳极结构在实现抗积碳的同时存在的浓差极化问题，提出将阻挡层与支撑层功能性相结合的解决办法，通过设计及构筑三维梯度变化的阳极结构，在实现阳极抗积碳的同时改善电池的输出性能。本课题采用电泳沉积的方法在流延成型的多孔YSZ基体上制备NiO-SLT/SLT梯度阳极，结合电化学和结构表征的手段，对不同梯度阳极的电化学性质进行详细研究，探索阳极结构与输出性能和抗积碳性的内在联系。此项工作对于深化人们对直接甲烷SOFCs阳极反应机理认识，指导电极结构设计具有重要的理论意义及应用价值。

本项目结合扩散阻挡层通过控制气体浓度达到抗积碳目的的设计理念，针对目前阳极结构存在的实际问题，设计并构筑了三维梯度变化的阳极结构，在实现阳极抗积碳的同时改善电池的输出性能。.　　本项目首先采用选择溶胶凝胶法合成LST阳极材料，用浸渍的方法在相转化方法制备的NiO-YSZ基体内部孔道和表面引入LST，使其在CH4为燃料气时作为NiO和甲烷之间的阻挡层，提高电池在甲烷为燃料时的放电性能。研究表明，通过浸渍五次LST，浸渍量达到为19.8%时阳极基体封电池后具有较好的输出性能。在甲烷条件下放电功率为 257 mW•cm-2，比未浸渍LST的NiO-YSZ基电池性能增加了160mW•cm-2。.　　利用流延的方法成功制备了三维梯度阳极/电解质半电池，并分别采用传统烧结与直流电闪烧两种烧结方式对半电池进行煅烧，重点讨论了烧结制度对电解质致密化程度及阳极结构的影响。结果表明，采用传统的烧结方式时，YSZ电解质致密程度较好，但阳极中的LST颗粒明显团聚长大，阳极的孔隙率显著降低。采用这种烧结方法组装的单体电池在800℃下的开路电压为0.9V，最大功率密度仅为510mW•cm-2。采用直流电闪烧烧结方式可以有效地避免阳极结构的坍塌和团聚，在预烧过后的半电池两端施加电流50 mA并保持30 min后，YSZ电解质致密化程度良好，同时，阳极结构疏松多孔，未发生LST的粗化和团聚现象。800 ℃ 下，单电池的开路电压达到 1.06 V，最大功率密度达到1060 mW•cm-2。该电池在甲烷气氛下，800℃时开路电压为1.0 V，最大功率密度610 mW•cm-2，并且在小电流下恒流放电6.5h，性能无明显衰减，表明单电池具有良好的抗积碳性能。.　　本项目聚焦固态陶瓷领域的闪烧技术开展了系统研究。运用闪烧技术将BZCYYb致密化，并研究其工艺参数及闪烧机理。为了进一步研究闪烧机理，本项目对四种SOFC电解质进行了闪烧研究，重点对三种REDC（GDC20,GDC10,SDC20）进行闪烧实验，探讨了REDC的总电导率，电子电导率对闪烧点的影响。根据实验现象及得出的结论，提出了闪烧的可能机理。上述研究成果对于深化人们对直接甲烷SOFCs阳极反应机理认识，指导电极结构设计具有重要的理论意义及应用价值，闪烧机理的相关研究对于该技术未来的产业化应用提供了重要的理论基础。