直接氨燃料电池中的阳极催化剂的研究

直接氨燃料电池中的阳极催化剂的研究

概括：

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将燃料中的化学能高效转化为电能的能源转换装置，具有高效、低排放、燃料适用性广等优点，在分布式发电、制氢储能、车船增程供电等方面有着广阔的应用前景。氢能是我国能源发展战略的重要方向，但目前氢气的大规模储运技术尚不成熟，相关基础设施建设缺乏，纯氢燃料成本仍然较高，限制了氢能产业的推广。氨极易压缩，含氢量较高（17.8wt%），是一种低成本的无碳燃料，与纯氢燃料相比，液氨在生产、运输、安全性等方面具有很大优势。SOFC组分在一定浓度的氨中具有良好的化学稳定性，且SOFC工作温度（600-800℃）与氨的催化分解温度（>400℃）相吻合，因此SOFC可直接利用氨高效发电。先前的报道已经证实氨燃料SOFC具有良好的发电性能，但是对其长期耐久性和热循环稳定性的研究较少。当SOFC利用氨发电时，氨进入阳极材料发生催化分解和电化学反应，因此NH_3-SOFC的性能和耐久性关键在于阳极材料。传统SOFC阳极通常为Ni基陶瓷材料，当氨进入SOFC后，首先在阳极热分解为氢气和氮气，生成的氢气参与电化学反应并发电。由于传统Ni基阳极对氨的分解催化活性不高，进入阳极的氨会与Ni金属发生氮化反应，不仅降低阳极的催化活性，还会破坏阳极的微观结构，最终导致电池性能快速衰减。

因此提高阳极的氨分解催化活性是提高氨燃料SOFC性能和耐久性非常重要的步骤。本文为了推动NH_3-SOFC的实用化，以提高其性能和耐久性为目标，主要研究氨燃料SOFC阳极的氨分解催化特性、电化学特性及耐久性。主要内容和结论可分为以下四个部分：（1）以商用的-ZrO_2（YSZ）体系平管对称SOFC（flat-tude fuel cell，DSC）为研究对象，系统研究了燃料类型、燃料流量、温度、运行条件等因素对氨燃料条件下DSC发电性能和耐久性的影响。DSC较厚的阳极支撑体（0.49 mm）和电极结构赋予其更高的结构强度，可以承受高温SOFC工况下的氧化还原环境。同时DSC特殊的中空通道结构可以为氨提供内部反应器，使氨在阳极通道中高效分解。当DSC中引入氨燃料时，750℃时阳极氨转化率为83%，对应的电池性能为：0.8 V电压下的功率密度为195 W cm~(-2)，与同等条件下氢燃料的功率密度（198 W cm~(-2)）基本接近。随着温度的降低，阳极氨转化率降低，氨与氢的电池性能差异随温度的降低而增大。

我们还探究了氨流速对电池性能的影响，实验结果表明，氨流速越快，阳极氨转化率越低，电池性能越降低。同时，对氨燃料下的DSC在750 ℃下进行120 h恒流放电耐久性试验，电池电压未见明显衰减。此外，对以氨为燃料的DSC在550~750 ℃之间进行热循环试验，结果表明，经过15次连续热循环试验，氨燃料电池性能未出现明显变化。与传统平板SOFC相比，以氨为燃料的DSC热循环稳定性明显提高，更加符合SOFC的实际运行工况。此外，通过建立基于DSC真实结构的三维多场耦合数值计算模型，模拟DSC内部氨的分解过程，可以发现DSC的特殊结构更有利于氨燃料SOFC的稳定工作。（2）低温区发展（

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