金属支撑固体氧化物燃料电池技术取得进展: 高效的纳米氧化铈阳极材料

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)是一种全固态能量转换装置,通过电化学反应将燃料(如氢气、天然气等)化学能直接转化成电能。SOFC具有高效率、低排放、无噪音等优点,在大型电站、分布式电站、家庭热电联供系统、汽车辅助电源等领域具有很大的应用前景。不过,SOFC发电技术仍然尚未走向大规模应用,其主要制约因素是成本和寿命问题。新型金属支撑构造可以提高单电池机械强度,增加电池抗热冲击能力,降低SOFC系统成本,因此近些年来金属支撑SOFC(MS-SOFC)在世界范围内引起了广泛关注,并逐渐成为SOFC研究领域内新的研究热点。尽管金属支撑SOFC较传统的电解质或电极支撑SOFC具有很多优势并且在近年来得到了很好的发展,但由于金属与陶瓷材料在物理、化学性能上具有截然不同的特性,因而将金属尤其是不锈钢引入到SOFC上作为支撑体,在电池制备与运行过程中都面临着很多新的问题。比如,阳极Ni的粗化、支撑体中的Fe和Cr与阳极Ni的界面扩散等问题会导致阳极的催化活性降低和电池性能衰减。

中国科学院上海硅酸盐研究所占忠亮研究员和合作者利用溶液浸渍技术将Sm0.2Ce0.8O2-δ (SDC) 纳米催化剂均匀地沉积在多孔430L不锈钢的孔内壁,从而形成金属支撑纳微尺度复合阳极 ¾ Nano-SDC@430L。Nano-SDC@430L复合电极融合了SDC催化剂的氧化-还原特性与430L不锈钢骨架的高电子电导性质,对氢气的电化学氧化反应具有优异的催化活性,在800和700°C的面比电阻仅为0.10 ± 0.01和0.18 ± 0.03 Ω cm2,以Nano-SDC@430L为阳极、以氧化钇稳定氧化锆(YSZ)为电解质的燃料电池在800和700°C的峰值功率密度分别达到了0.94 和0.55 W cm−2。该结构设计不仅解决了金属支撑电池面临的阳极制备难题,也为SOFC高效电极设计提供了一个新的途径,即将低电导率的高效催化剂引入到高强度、高电导率、无催化活性的不锈钢骨架中。相关结果发表在Adv. Energy Mater.上。

 

相关工作得到了国家科技部973计划、863计划以及国家自然科学基金的资助。

 

gc