中文摘要：

开发具有抗积碳耐硫毒化能力的阳极一直是SOFC的研究重点，然而到目前为止，积碳和硫毒化问题并没有得到根本解决。我们结合阳极材料发展的两条主线，提出以稀土元素共掺杂来提高传统萤石结构材料CeO2基阳极的抗积碳耐硫毒化能力，设计了新型阳极材料Ni/Ce0.8Y0.1Yb0.1O1.9，结合密度泛函理论（DFT）第一性原理对CeO2掺杂优化的模拟结果，研究不同稀土元素共掺杂对CeO2电导率以及氧储存及迁移能力的影响，以随机堆积球理论为基础建立阳极结构模型，通过参数设计和调整取得阳极抗积碳耐硫毒化的优化结果。借助拉曼光谱，在线质谱、气相色谱和电化学阻抗等技术对不同工作温度、电流密度和燃料组成等条件下电极电化学行为及抗积碳耐硫毒化机制进行研究，阐明稀土元素在阳极抗积碳耐硫毒化过程中的协同作用机制，得到具有高稳定性高催化活性的甲烷直接氧化阳极，这将为解决甲烷直接氧化阳极的积碳硫毒化问题提供新的思路。

结论摘要：

固体氧化物燃料电池(SOFC)因其自身众多优点而正成为燃料电池的主流方向，开发具有抗积碳耐硫毒化能力的阳极一直是其研究重点，然而到目前为止，积碳和硫毒化问题并没有得到根本解决。本项目正是在这样的背景下，开展了SOFC新型阳极的制备和改性研究，进行了稀土双掺杂阳极的耐硫抗积碳性能及微观机制研究；研究了碱土氧化物对阳极性能的影响及微观机制；对新结构的对称电池电极材料及电池性能作了探索性研究。首先，进行了稀土双掺杂Ni基CeO2阳极抗积碳耐硫毒化能力研究采用Y和Yb掺杂CeO2，利用其协同作用提高耐硫抗积碳能力。采用甘氨酸燃烧法制备超细Ce0.8YxYb0.2-xO1.9、GDC粉体。测试结果表明Ni-Ce0.8Y0.1Yb0.1O1.9在750oC以干甲烷为燃料时，以200mA？cm-2恒流放电120小时功率无衰减，而Ni-YSZ阳极以甲烷为燃料时积碳严重。此阳极在700oC以下，H2S浓度为5ppm和20ppm时，性能衰减分别为5%和12%，当燃料气切换回纯H2后，电池性能完全恢复。SEM和EDS结果表明测试后Ni-Ce0.8Y0.1Yb0.1O1.9阳极无碳沉积也未检出硫及硫化物。表明对于直接碳氢燃料电池，Ni-Ce0.8Y0.1Yb0.1O1.9阳极是一种具有新型的直接甲烷阳极。其次，考察了BaO对Ni-YSZ基阳极耐硫性能的影响采用浸渍法制备BaO改性的Ni/YSZ阳极，利用甘氨酸瞬间火焰燃烧使BaO粒子达到纳米尺度。EDS结果表明BaO含量约为5%。当燃料从氢气切换到浓度为50ppmH2S的湿氢气时，电池功率密度无明显变化，没有观察到Ni基阳极明显的电压降情况。湿氢气中H2S浓度从5逐渐增加到50ppm时，电池性能稳定。在800oC时功率密度可达963mW？cm-2。EDS和XPS结果显示在硫毒化测试后没有硫污染电池阳极。BaO/Ni是一种兼具抗积碳性能硫毒化能力的复合阳极。最后，初步探索了SOFC对称电池电极材料及电池性能从结构和性能两方面验证了CeO2-LaFeO3作为对称电池电极的可行性。该电极长时间放电后虽然Fe和MnO会从体相材料中析出，但Fe和MnO的析出是有利于电池性能提高的。在氢气气氛下恒流放电120h后，电池输出功率提高了8%。EIS测试表明电池的极化电阻随着电流的增加而减小。本部分工作仍在继续中，相关成果会在后续的报告中予以说明。