无灰蔗渣与生物炭驱动固体氧化物燃料电池的性能对比及失效机制解析

本综述创新性地对比了无灰蔗渣及其热解生物炭作为直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFC）燃料的性能差异。研究表明，蔗渣直接供能时通过原位热解产生H2/CO/CH4气体，实现更高功率密度（324 mW/cm2），但需解决燃料连续供给问题；生物炭燃料虽稳定性提升却面临碳耗尽导致的电压崩溃。研究为生物质燃料DC-SOFC系统优化提供了关键实验依据。

　　

Highlight

电池制备

本研究采用的Ni-YSZ（8 mol%氧化钇稳定氧化锆）阳极支撑型纽扣电池由徐州华清景坤能源有限公司通过流延成型、丝网印刷、烧结和表面抛光等标准工艺制备（图1a）。电池结构包含以下分层（图1b）：多孔NiO-YSZ阳极支撑层（重量比0.55:0.45）、多孔NiO-YSZ阳极功能层（AFL）、致密YSZ电解质层、GDC（Gd_0.1Ce_0.9O_2-δ）阻隔层以及LSCF（La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ）阴极层。

生物质与生物炭表征

为解析蔗渣及其衍生生物炭的相结构，我们进行了XRD测试（图2a）。图谱中未检测到明显杂质相。鉴于无机物通常具有高结晶度，含灰分生物质的XRD谱中无机杂质衍射峰通常非常显著[25-28]。这表明本研究所用蔗渣的无机灰分含量极低，与工业蔗渣的高灰分特性形成鲜明对比。

结论

本研究系统评估了以蔗渣及其热解生物炭为燃料的Ni-YSZ阳极支撑SOFC性能与稳定性。结构表征显示热解将蔗渣转化为高碳富集生物炭，C/O比从1.6提升至7.6。电化学测试表明，直接使用蔗渣的电池展现出更高峰值功率密度（800°C时达324 mW/cm²），这归因于运行过程中原位产生的热解气体（H₂/CO/CH₄）。耐久性测试揭示了差异化失效机制：生物炭燃料电池在0.3 A/cm²运行20小时后因碳耗尽导致电压崩溃，而直接使用蔗渣的电池在0.4 A/cm²下10小时内因燃料供给中断发生早期失效。