耐高溫、耐焦化、耐硫的Ni/BZY基質子陶瓷燃料電池

最新 05-14

質子陶瓷燃料電池（PCFC）可以像高溫固態氧化物燃料電池（SOFC）一樣直接使用氫氣和烴作為燃料產生電能，燃料使用效率可大於50%。但以前大多數有關直接烴燃料電池的研究都集中在基於氧離子傳導電解質的固體氧化物燃料電池方面，當這種燃料電池直接使用烴化合物和/或含硫燃料時通常發生碳沉積（焦化）和硫中毒，從而導致電池性能隨時間嚴重衰減。儘管質子陶瓷燃料電池表現出良好的電性能和抗結焦性，但是以前的研究對其一直沒有系統的對比研究。

來自科羅拉多州礦業大學的Chuancheng Duan（一作，中文名可能是段傳成，2012年畢業於大連理工，畢業後在大連化物所1年）和Ryan O』Hayre（通訊）等人在不對電池結構進行更改的基礎上，使用了11種燃料對質子陶瓷燃料電池進行了測試，對PCFC進行了系統的研究。

圖1 使用不同燃料的PCFC的性能

圖2 (a) PCFC和烴重整機理，水煤氣轉換反應，硫清洗和碳清洗的示意圖；(b)碳清潔機理

作者直接使用11種未經過預處理的燃料，但燃料電池都表現出了優異的性能，特別是NH3和CH3OH燃料的性能幾乎接近於純氫，即使是使用受到H2S污染的天然氣運行1000小時以後，電池性能也未嚴重下降。PCFC可以保持比比的SOFC更高的工作電壓，特別是高燃料利用率。對於所有的燃料來說，PCFC在運行期間都沒有觀察到焦化跡象，溫度也未有大的波動，在大部分情況下電池每1000小時的性能衰減率＜1.5%。這是因為PCFC高溫運行之後會在電解質相生成均勻的Ni納米塗層，這種塗層可以與BZY（釔摻雜鋯酸鋇BaZr0.8Y0.2O3–δ）合作抑制焦炭的產生，同時它們還可以通過自清潔除硫機制耐受更大量的硫中毒。

更深一步解釋是：PCFC的電解液具有高鹼性，而常見的SOFC則酸性較高，因此表面的化學差異可以極大的影響電極的性能。BZY / BCY的水合作用可以增加表面和兩相界面處的O:C比率，有助於提高碳化阻力，陽極中質子傳導陶瓷顆粒的存在還可以抑制硫的吸附並有助於硫去除。密度泛函理論研究表明，在Ni（111）和Ni（211）表面上，COOH（Ni）最可能形成三種含碳羥基物種之一。以前的研究表明，WGS（water–gas shift）的速率決定步驟反應是COOH（Ni）的形成。焦炭的去除率與COOH（Ni）的生成速率直接成正比。

圖3 在PCFC工作過程中，陽極原位析出鎳納米粒子的過程。

圖4 在260°C和550°C之間循環使用氫燃料的PCFC循環的熱循環測量

熱穩定性對於燃料電池的商業化至關重要。對使用氫做燃料的PCFC進行快速熱循環，在每個熱循環和全部32個熱循環完成之後，電池的電流密度可恢復到其初始電流密度的> 99.5％，這表明PCFC電池材料具有高度穩定的固有的熱循環能力。Ni-BZY基PCFC器件所展示的優異的燃料適應性和長期耐久性，以及其固有的的熱循環穩定性，突出了該技術的廣闊的前景及巨大的商業應用潛力。

參考文獻：

Chuancheng Duan, Robert J. Kee, Huayang Zhu, Canan Karakaya, Yachao Chen, Sandrine Ricote, Angelique Jarry, Ethan J. Crumlin, David Hook, Robert Braun, Neal P. Sullivan &Ryan O』Hayre, Highly durable, coking and sulfur tolerant, fuel-flexible protonic ceramic fuel cells,Nature557, 217-222 (2018)

最後再關注下一作Chuancheng Duan

本科就讀於大連理工大學，期間大概（可能）發過三篇中文核心，畢業後曾在大連化物所待過一年。大連化物所是我國做燃料電池非常牛的科研單位之一，已經做了幾十年。