《Ce-Zr固溶體基直接氧化SOFC陽極及積炭消炭機理研究》是依託北京理工大學，由喬金碩擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：Ce-Zr固溶體基直接氧化SOFC陽極及積炭消炭機理研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：喬金碩
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
SOFC直接氧化陽極積炭問題是阻礙其發展的關鍵問題之一，本課題擬研究Ce-Zr固溶體在甲烷直接氧化陽極的實際套用，以提高SOFC陽極抗積炭性和穩定性。通過製備具有最佳的OSC 和OSC-r的Ce-Zr固溶體和加入Ni、Co等高電導率的金屬得到具有良好抗積炭能力和高電催化活性的Ce-Zr基直接氧化SOFC陽極電極材料。分別採用了浸入沉澱相轉化法和流延法製備陽極支撐基體，通過控制浸入沉澱相轉化法的主要影響因素和流延燒結工藝，得到具有不對稱結構Ce-Zr基直接氧化陽極支撐基體，陽極的孔徑、孔隙率均勻過渡，具有大的比表面積，有利於提高陽極的機械性能和燒結性能。採用高溫拉曼光譜，對不同工作溫度和電流密度，不同燃料組成和濃度條件下電極表面物種進行高溫原位測控，聯合氣相色譜線上分析，研究Ce-Zr固溶體基陽極在甲烷等碳氫燃料下電極反應及積炭消炭機理，為直接氧化陽極的發展和套用奠定基礎。
結題摘要
本項目圍繞具有良好抗積碳性的Ce-Zr（CZ）固體作為固體氧化物燃料電池（SOFC）陽極進行了相關的探索性研究並研究了Sr2Fe1.5Mo0.5O6（SFM）材料在SOFC中套用。模板法合成了不同鈰鋯比例的固溶體，Ce0.5Zr0.5O2（CZ50）和Ce0.75Zr0.25O2（CZ75）與現有SOFC體系具有就好的相容性，CZ75具有較高的電化學性能。電解質支撐型的CZ75-Ni/YSZ/LSM單電池於氫氣和甲烷中800℃時最大功率密度為187mW•cm-2和 198mW·cm-2。將CZ75塗覆於NiO-YSZ陽極外側可以有效提高電池的輸出功率和抗積碳性。共沉澱法製備CZ50及Ba、Y、Bi等元素摻雜的固溶體，結果顯示元素摻雜的固溶體經高溫燒結而出現顆粒團聚現象，比表面積較純CZ50低。3%Ba、9%Y、14%Bi摻雜的CZ50固溶體的熱膨脹與電解質YSZ接近，具有良好的相容性。H2-TPR和TPO的測試表明，CZ固溶體具有較高的儲氧能力，元素摻雜進一步提高了固溶體的儲氧容量，7%Ba、7%Y和19%Bi摻雜的CZ50儲氧量分別達到134.4、127.1、287.6µmol/g。相轉化法製備陽極，組裝CZ75-Ni/YSZ/LSM單電池，800℃在氫氣和甲烷下最大功率密度可達到348mW•cm-2和 218mW·cm-2。各元素摻雜固溶體基電池的電化學性能低於或接近純CZ50。固溶體可以有效減少陽極積炭，元素摻雜可進一步提高電池抗積炭性，抗積炭性能最好CZBi19電池的積炭量與Ni含量的比為14.7%，高於Ni-YSZ陽極的36.9%。分析CZ固溶體消炭作用認為，CZ在參與反應時能提供更多的體相晶格氧，與甲烷裂解的C發生氧化反應，減少積炭。微波法製備的CZ75粉體、相轉化製備陽極、浸漬塗覆YSZ一步燒結後得到顆粒較小的CZ陽極，改善了陽極性能。添加少量的Fe有助於改善CZ75-Ni陽極的性能，Fe最佳添加量為0.1，高溫原位拉曼測試陽極積碳，無明顯C峰出現。Fe摻雜到CZ固溶體中按照空穴補償方式形成置換固溶體，具有較大濃度的O空穴，有利於反應積炭的消除。燃燒法合成SFM材料具良好的電化學性能，組裝的電池在800℃氫氣條件放電功率可達到2.2W·cm-2。B位摻雜Ni的Sr2Fe1.5-xNixMo0506，x=0.1時性能最佳。
