直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的研究进展

张英杰^1,2，吴昊¹，曾晓苑^1,2，李雪^1,2，董鹏^1,2，肖杰^1,2

1. 昆明理工大学材料科学与工程学院锂离子电池及材料制备技术国家地方联合工程实验室云南省先进电池材料重点实验室(筹)2. 昆明理工大学冶金与能源工程学院

摘 要：如今,世界能源与环境问题日益严峻,其中煤炭、石油等化石燃料的粗放利用是一个很重要的原因,开发一种高效、清洁的煤炭利用技术已经迫在眉睫。直接碳固体氧化物燃料电池（Direct carbon solid oxide fuel cell,DC-SOFC）作为全固态的能量转换装置,可以直接采用固体碳作为燃料,将化学能直接转化为电能,理论上其能量转化效率接近100%。这种全固态的结构可以有效地避免液态金属阳极DCFC和复合电解质型DCFC电解液泄漏、腐蚀和由空气中的二氧化碳引起的电池性能衰减等问题。随着SOFC电池技术的迅速发展,DC-SOFC技术受到了越来越多研究者的关注,并有望成为新一代清洁能源技术。然而,由于采用固体电解质和固体碳燃料,DC-SOFC阳极反应过程复杂且影响因素众多,不同的阳极材料在性能上有着不同的表现。对此,国内外研究者为解释其阳极反应机理做了大量的工作,且不断尝试将各种新型材料用作DC-SOFC的阳极,并取得了一定的成果,对其阳极反应机理做出了合理的推断,在充分发挥DC-SOFC安全性和稳定性的同时大幅提升了其输出性能。目前,对于DC-SOFC的阳极机理,根据电池中碳燃料引入形式的不同,产生了两种不同的理论,且均有合理的实验数据支撑。而已经报道的DC-SOFC阳极材料除了最早的贵金属Pt阳极材料以外,主要有以Ni-YSZ为代表的Ni基复合金属陶瓷阳极材料、以Cu-Ni-YSZ为代表的Cu基复合金属陶瓷阳极材料、以Ag-GDC为代表的Ag基复合金属陶瓷阳极材料及以LST或LSCT为代表的混合离子和电子导体阳极材料（MIECs）。大量研究表明,在金属陶瓷阳极中加入Fe、Sn等具有催化功能的元素能有效增加电池的输出功率,提高燃料的利用效率。这些材料虽然在输出性能上表现不一,但是均存在各自的优势,为DC-SOFC的研究提供了不同的思路。此外,以现有材料为基础,对阳极结构进行优化,进一步提升电池的输出性能,也为未来的阳极材料研究提供了新的方向。本文系统地总结并分析了DC-SOFC阳极结构特性、反应机理以及各类不同阳极材料的最新研究进展,展望了直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的未来发展方向,以期为DC-SOFC阳极材料的高效研究提供有价值的参考。

关键词：直接碳固体氧化物燃料电池;阳极材料;复合金属陶瓷材料;混合离子和电子导体;