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固体氧化物燃料电池(SOFC)能够直接以碳氢化合物为燃料而不需要复杂的外部重整,具有能量转化率高、环境友好、燃料适应性强、系统简便等优点,成为了近年来新能源领域的研究热点。乙醇燃料是一种绿色可再生的能源,其能量密度高、来源广泛、无毒无害,从众多碳氢化合物燃料中脱颖而出,引起关注。由于传统SOFC的Ni-YSZ阳极在碳氢化合物燃料中会导致碳沉积和阳极性能的劣化,本文研究了几种适用于乙醇燃料的新型SOFC阳极材料,分析了乙醇在阳极材料中的反应行为,实现了乙醇燃料的SOFC单电池的长期稳定运行。
采用流延共烧、湿法浸渍、低温灼烧的工艺路线,成功制备了Cu-CeO2-ScSZ阳极材料和大面积平整的阳极支撑型电解质复合膜材,为其应用于平板型SOFC中奠定了基础。通过阳极对称电池和单电池测量,优化了阳极中Cu/CeO2质量比、阳极灼烧温度等参数,800℃以氢气和乙醇为燃料时单电池最大功率密度分别达到了372和222mW cm-2,电池在乙醇燃料中运行50小时保持性能稳定且无碳沉积。加入Ni-ScSZ阳极活性层后,阳极在保持稳定性的同时,以氢气和乙醇为燃料时最大功率密度分别提高到604和438mW cm-2。
采用流延、丝网印刷的工艺方法制备了大面积平整的Cu-CeO2/Ni-YSZ阳极膜材,可以通过乙醇燃料的内重整实现其在阳极中的稳定运行。电化学性能和长期稳定性优化后的工艺条件为,催化层中Cu-CeO2质量比为1:2,催化层烧结温度为1100℃;Cu-CeO2阳极催化层和Ni-YSZ阳极支撑层两层之间引入Ni-CeO2过渡层可以有效地改善两者的界面结合,从而大幅提高多层阳极结构在乙醇燃料中的稳定性,其单电池在750℃以乙醇为燃料时保持250mWcm-2(0.7V恒压放电)的功率密度稳定运行250小时。
分别采用固相法和Pechini法制备了具有单一钙钛矿结构的La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3(LSCM)阳极材料。采用流延共烧工艺制得了大面积平整的多孔LSCM-ScSZ支撑的ScSZ复合膜,浸渍Cu后制得Cu-LSCM-ScSZ阳极,其在乙醇燃料中稳定运行,但电化学性能较低;采用丝网印刷法将Cu-LSCM-YSZ制备到Ni-YSZ阳极表面,阳极结构在800℃乙醇燃料中获得了431 mW cm-2的功率密度,且稳定运行270小时。
考察了Cu-CeO2-ScSZ,Cu-LSCM-ScSZ和Ni-YSZ单阳极在800℃乙醇燃料中在不同条件下的碳沉积行为和碳沉积形貌。通过气相色谱分析了不同阳极的单电池以乙醇为燃料时的尾气,并由此探讨了乙醇燃料在SOFC阳极中可能发生的重整、部分氧化等反应行为及其对阳极电化学性能和长期稳定性的影响。