固体氧化物燃料电池(SOFC)是在中高温条件下直接将储存在燃料中的化学能高效地转化成电能的全固态发电装置。从可持续发展角度来看,SOFC极具发展前景,被普遍认为是在未来会得到广泛应用的一种能源利用设备。碳氢化合物燃料在SOFC中的高效清洁利用是SOFC技术重要的发展方向。基于镍基阳极的SOFC在以氢气为燃料时表现出优异的性能,在欧美国家、日本已有示范装置在运行。然而,直接以碳氢化合物为燃料时,Ni基阳极表面易严重积碳,导致阳极失活,电池性能衰退,因此必须对镍基阳极进行改进。本文以8%Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)为电解质,以20%Sr掺杂的LaMnO₃(LSM)为阴极,基于传统的Ni-YSZ阳极,设计了独立于阳极的催化剂层。这种结构避免了催化剂和阳极材料间因为热膨胀性能不匹配所造成的相互影响,同时还保留了 Ni基阳极较高的催化活性和导电性。更重要的是,燃料气在到达电池阳极前先通过催化剂层进行催化重整反应生成CO和H₂,经过催化剂层的阻挡,Ni基阳极表面的碳氢化合物燃料浓度大大降低,减少了裂解的碳在阳极的沉积;本文采用甘氨酸燃烧法(GNP)合成了 NiO/BaO/CeO₂(NiBaCe)和 NiO/BaO/CeO₂/Al2O₃(NiBaCeAl)两种催化剂,选取两种基底(YSZ和Al₂O₃)通过共压法将催化剂与基底分别压制形成基底/催化剂双层生坯体。制备了 NiBaCe-YSZ,NiBaCe-Al₂O₃,NiBaCeAl-YSZ 和NiBaCeAl-Al₂O₃四种催化剂层。研究了这两种催化剂粉体对甲烷的水蒸气重整催化性能。利用独立催化剂层的电池结构研究了以氢气、甲烷、煤层气为燃料时电池的发电性能,主要结果如下:(1)NiBaCeAl催化剂对于CH₄水蒸汽重整反应有很好的催化性能。CH₄转化率在850 °C时达到92.1%。在800 °C,经过至少400 min的稳定性测试,CH₄转化率稳定在80%以上。负载NiBaCeAl催化剂的两种电池均取得了较高的功率输出,以3%H₂O-97%CH4(湿甲烷)为燃料时,负载有 NiBaCeAl-YSZ 和 NiBaCeAl-Al₂O₃催化剂层的电池在850 °C时取得了几乎相同的最大功率密度(0.65 W·cm-2),稍高于空白电池的最大功率密度(0.60 W·cm-2)。恒流放电实验表明加有催化剂层的电池以湿甲烷为燃料时表现出较好的操作稳定性(至少12小时),电压下降速率分别为0.006V/h和0.01 V/h。相比较,空白电池在同等条件下放电20 min电压就降为零。恒流放电测试后的电池表征表明,NiBaCeAl-YSZ和NiBaCeAl-Al₂O₃两种催化剂表面均有碳纳米管生成,可能是由于酸性的NiAl₂O₄促进了碳沉积,而电池阳极表面没有积碳生成,说明催化剂层的增加大大提高了电池阳极的抗积碳性能。基于催化剂表面有大量碳纳米管生成,设想可以利用此电池结构实现碳电共生。(2)NiBaCe催化剂对甲烷的水蒸气重整也有很高的催化活性和稳定性。900 °C时CH₄的转化率达到了 90.5%。在800 °C时,经过了至少400 min的稳定性测试,CH₄转化率保持在78%以上。负载NiBaCe催化剂的电池功率密度有明显的提高。以NiBaCe-YSZ作为催化层,以3%H₂0-97%CH4(湿甲烷)为燃料的电池在850 °C时最大功率密度为0.67 W·cm-2,略高于以NiBaCe-Al2O3作为催化剂层的电池的最大功率密度(0.65 W·cm-2),但均高于空白电池的最大功率密度(0.60 W·cm-2)。恒流放电实验表明以湿甲烷为燃料,800 °C下电池稳定操作12h而不发生明显的衰竭,对于负载NiBaCe-Al₂O₃的电池电压下降的平均幅度为0.004 V/h,而负载NiBaCe-YSZ的电池电压降幅为0.007 V/h。空白电池由于严重的积碳放电20 min后电压迅速降为零。实验结果表明NiBaCe催化剂层的使用提高了电池镍基阳极的抗积碳性,且以A1₂O₃为基底的电池比以YSZ为基底的电池展现出了更好的抗积碳性能。(3)将这四种催化剂分别应用于煤层气(CBM,成分:CH₄,82.9975%;O2,2.1853%;N2,10.1839%;C₂-C8,3.4731%;CO₂,1.1602%)的固体氧化物燃料电池发电取得了和甲烷相似的效果。在800°C,以3%H₂O-97%CBM为燃料时,负载了四种催化剂的电池在经过12 h的放电测试后均没有发生明显的衰竭。对于负载有NiBaCeAl催化剂的电池,恒流放电测试后的催化剂表面均有碳纳米管生成,基于此种现象,可以利用此结构的电池实现碳电共生。且A1₂O₃基底的电池比YSZ基底的电池展现出了更好的抗积碳性能。阳极表面没有明显的积碳表明催化剂层的使用提高了电池的功率输出和抗积碳能力,也将促进煤层气作为燃料的SOFC的应用。(4)综合以上结论,实验结果表明在以3%H₂O-97%CH₄为燃料时,负载有NiBaCe-Al₂O₃催化剂的电池表现出优于其它三种催化剂的电池性能,在以3%H₂O-97%CBM为燃料时,负载有NiBaCeAl-Al₂O₃催化剂的电池表现出优于其它三种催化剂的电池性能,催化剂的使用提高了电池的电化学性能、阳极抗积碳性能和操作稳定性。