直接碳固體氧化物燃料電池陽極材料的研究進展

摘要：如今,世界能源與環境問題日益嚴峻,其中煤炭、石油等化石燃料的粗放利用是一個很重要的原因,開發一種高效、清潔的煤炭利用技術已經迫在眉睫。直接碳固體氧化物燃料電池(Direct carbon solid oxide fuel cell,DC-SOFC)作為全固態的能量轉換裝置,可以直接采用固體碳作為燃料,將化學能直接轉化為電能,理論上其能量轉化效率接近100%。這種全固態的結構可以有效地避免液態金屬陽極DCFC和復合電解質型DCFC電解液泄漏、腐蝕和由空氣中的二氧化碳引起的電池性能衰減等問題。隨著SOFC電池技術的迅速發展,DC-SOFC技術受到了越來越多研究者的關注,并有望成為新一代清潔能源技術。然而,由于采用固體電解質和固體碳燃料,DC-SOFC陽極反應過程復雜且影響因素眾多,不同的陽極材料在性能上有著不同的表現。對此,國內外研究者為解釋其陽極反應機理做了大量的工作,且不斷嘗試將各種新型材料用作DC-SOFC的陽極,并取得了一定的成果,對其陽極反應機理做出了合理的推斷,在充分發揮DC-SOFC安全性和穩定性的同時大幅提升了其輸出性能。目前,對于DC-SOFC的陽極機理,根據電池中碳燃料引入形式的不同,產生了兩種不同的理論,且均有合理的實驗數據支撐。而已經報道的DC-SOFC陽極材料除了最早的貴金屬Pt陽極材料以外,主要有以Ni-YSZ為代表的Ni基復合金屬陶瓷陽極材料、以Cu-Ni-YSZ為代表的Cu基復合金屬陶瓷陽極材料、以Ag-GDC為代表的Ag基復合金屬陶瓷陽極材料及以LST或LSCT為代表的混合離子和電子導體陽極材料(MIECs)。大量研究表明,在金屬陶瓷陽極中加入Fe、Sn等具有催化功能的元素能有效增加電池的輸出功率,提高燃料的利用效率。這些材料雖然在輸出性能上表現不一,但是均存在各自的優勢,為DC-SOFC的研究提供了不同的思路。此外,以現有材料為基礎,對陽極結構進行優化,