中温固体氧化物燃料电池复合阴极研究进展

在可再生能源需求日益增长的情况下,燃料电池是一种高效、清洁、可持续的能源转换源。固体氧化物燃料电池(SOFC)工作温度较低,在温度(400~600)℃范围内可以显著增加该技术的应用,并可以促进SOFC中更广泛的材料使用,具有较高的可靠性。综述了固体氧化物燃料电池工作原理包括其工作过程中的热力学和动力学,重点阐述了中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的阴极材料的研究进展。

中温固体氧化物燃料电池复合阴极La_(1.6)Sr_(0.4)NiO_4-Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(1.9)的制备及性能研究

0引言 近年来，一些具有电子和氧离子混合传导特性的类钙钛矿型A2BO4复合氧化物成为人们研究的热点材料。这类材料一般属于K2NiF4结构，是由ABO3钙钛矿结构层与AO岩盐层相互交叠而成的层状化合物，由于具有良好的晶体结构、独特的电化学性能以及较高的氧化、还原等催化活性．其在新材料开发方面已得到了高度的重视旧。研究表明，用不同价态的离子调变A位可以达到控制B位过渡金属离子的价态和氧化物的非化学计量氧量的目的。这种结构的材料具有二维特征，从而使该类氧化物具有独特的物理化学性能。到目前为止．有关这类材料的晶体结构和气体催化活性的报道较多．而将其用于固体氧化物燃料电池电极方面的研究却相对较少。同传统的钙钛矿型ABO，氧化物LSM和LSCF电极材料相比较，A2BO4复合氧化物在热化学性能、电化学性能以及氧的扩散和表面交换能力等方面显示了明显的优势．这些都预示着该类材料是一种潜在的中温固体氧化物（IT-SOFC）阴极材料。

中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料LSM-CBO的制备及性能研究

采用柠檬酸络合法为中温固体氧化物燃料电池制备了La0 .85Sr0 .15MnO3 Ce0 .7Bi0 .3 O2 (LSM CBO)复合阴极材料 ,利用XRD和SEM对材料进行了表征 .结果表明该复合材料在 10 0 0℃以内烧结时不发生反应 ,且在 90 0℃烧结 2h条件下 ,电极与Ce0 .9Gd0 .1O2 (CGO)电解质可形成良好的接触 .复合电极在 70 0℃ ,0 .6V阴极极化电势下处理 96h ,也没有发现可检测到的其它物相 .我们同时使用交流复阻抗谱和直流极化技术研究了电极的电化学性能 ,结果表明氧在电极表面的吸附是阴极反应的速率控制步骤 ,且随着CBO含量的增加电极极化电阻减小 ,最小值达到 2 2 3Ω·cm2 ,出现在掺杂 3 0wt

中温固体氧化物燃料电池制备进展

介绍了制备中温固体氧化物燃料电池(SOFC)薄膜的各种工艺方法及制备中温单电池(PEN)的复合工艺。

中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)阴极材料La_(2-x)Sr_xNiO_4的制备及性能研究

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La2-xSrxNiO4(简称LSN,x=0.0、0.2、0.4、0.6、0.8),利用XRD和SEM对其结构和微观形貌进行了表征。结果表明该阴极材料与电解质Ce0.9Gd0.1O1.9(CGO)在1100℃烧结时不发生反应,且烧结2h后,二者之间可形成良好的接触界面。交流阻抗谱技术对该电极的电化学性能的研究结果表明,电极反应的速率控制步骤为电极上发生的电荷迁移反应,其中La1.6Sr0.4NiO4电极在空气中700℃下的极化电阻为2.93Ω·cm2。

中温固体氧化物燃料电池封接玻璃的研究进展

封接玻璃是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的主要组成部分,封接玻璃应同时具有适宜的热性能、化学性能、力学性能及与电池元件有良好的粘合能力,防止SOFC在运行过程中气体的泄漏,并保证玻璃在IT-SOFC工作温度及氧化气氛或燃料气氛下长期运行的热稳定性和封接玻璃与其它电池元件之间的界面稳定性。本文综述了关于IT-SOFC封接玻璃近十年的研究进展。从玻璃特性和封接玻璃与元件之间的界面反应的角度,讨论封接玻璃的组分-结构-性能三者之间的关系,提出了当前IT-SOFC封接玻璃研究的主要问题。

凝胶燃烧制备中温固体电解质La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)

本文采用凝胶燃烧法制备La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ固体电解质(LSGM),讨论了溶液浓度、pH值、柠檬酸的加入量、加热温度等工艺条件对成胶的影响,X射线衍射分析表明,凝胶经1400℃煅烧10h制备得到单相粉体,制备的粉体颗粒尺寸平均为150nm。

中温固体氧化物燃料电池材料的研究进展

本文综述了近年来中温固体氧化物燃料电池对固体电解质材料、阳极材料和阴极材料在国内外的研究进展情况,并提出中温固体氧化物燃料电池材料方面的一些有待解决的问题。

中温固体氧化物燃料电池Pr_(1.2)Sr_(0.8)NiO_4阴极材料的制备、结构和性能(英文)

以相应的氧化物粉末和盐为原料,通过甘氨酸-硝酸盐法合成出了中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)Pr1.2Sr0.8NiO4(PSNO)阴极原料粉体,并制备出了烧结体试样.采用X射线衍射(XRD)分析对所合成粉体的相组成进行了分析,分别采用热膨胀仪和四端子法对PSNO烧结体试样的热膨胀系数和电导率进行了测定,同时对该阴极材料与Sm0.2Ce0.8O1.9(SCO)电解质材料的电化学阻抗谱(EIS)进行了测试分析.以SCO作电解质,分别以NiO/SCO和PSNO作阳极和阴极材料,制备出固体氧化物燃料单电池,并对其性能进行测试.实验结果表明,通过甘氨酸-硝酸盐法,在1050℃以上煅烧前驱体,可以获得具有K2NiF4结构的PSNO粉体.所制备的PS-NO烧结体试样在200-800℃间的热膨胀系数约为12×10-6K-1,在450℃下的电导率约为155S·cm-1,在400-800℃,平均电导活化能为0.034eV.电化学阻抗谱分析结果表明,在700℃下PSNO阴极和SCO电解质间的比表面阻抗(ASR)为0.37Ω·cm2,而Ni-SCO/SCO/PSNO单电池的比表面阻抗为0.61Ω·cm2;所制备的SOFC单电池在800℃下的输出功率为288mW·cm-2,开路电压为0.75V.本研究的初步结果表明PSNO材料是一种综合性能较为优良的新型中温固体氧化物燃料电池阴极材料.

SiO_2-CaO-Al_2O_3-B_2O_3微晶釉在平板式中温固体氧化物燃料电池密封中的应用

平板式中温固体氧化物燃料电池 (intermediatetemperaturesolidoxidefuelcells,ITSOFC)在 60 0～ 85 0℃温度下运行 ,电解质两侧的燃料气体 (H2 )和氧化气体 (O2 )必须加以分离 ,这要求金属双极板和陶瓷电解质高温气密封接。两者之间的密封材料应该与双极板和电解质很好的浸润粘附 ,达到气密要求 ;还会产生高温蠕变或粘滞流动以消除使用中因热膨胀系数差异引起的热应力。为了保证电池长期安全稳定的运行 ,还要求密封材料保持尺寸稳定性 ,与双极板和电解质材料有良好的化学稳定性。采用SiO2 CaOAl2 O3B2 O3系统微晶釉制备出一种适用于 85 0℃工作的ITSOFC密封材料。该系列微晶釉在 85 0～ 90 0℃与ZrO2 电解质和不锈钢双极板材料充分浸润粘附 ,在 85 0℃保证高温尺寸稳定性和化学稳定性的前提下 ,能够提供一种“软”密封 ,通过粘滞流动很好的满足了应力释放的要求。经过近 10 0h ,10次循环密封实验(4 0 0～ 85 0℃ )证明 ,该材料适用于 85 0℃工作的ITSOFC的密封。

中温固体氧化物燃料电池La_(1.6)Sr_(0.4)Ni_(1-x)Cu_xO_4阴极材料的制备及电化学性能

采用甘氨酸-硝酸盐法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La1.6Sr0.4Ni1-xCuxO4(x=0.2,0.4,0.6,0.8),利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其结构和微观形貌进行了表征.结果表明,该阴极材料与固体电解质Ce0.9Gd0.1O1.95(CGO)在1000℃烧结时不发生化学反应,且烧结4h后,二者之间可形成良好的接触界面.利用电化学交流阻抗谱技术对阴极材料的电化学性能进行研究,结果显示,当Cu离子掺杂量(x)为0.6时,La1.6Sr0.4Ni0.4Cu0.6O4阴极具有最小的极化电阻,在空气中当测试温度为750℃时,极化电阻为0.35Ω·cm2.在不同氧分压条件下电化学阻抗谱分析结果表明,电极上的两个氧还原反应主要包含氧离子从三相界面向电解质CGO转移的过程和电荷的迁移过程,其中电荷的迁移过程为电极反应的速率控制步骤.La1.6Sr0.4Ni0.4Cu0.6O4电极在空气中700℃和阴极电流密度为45mA·cm-2时,阴极过电位为45mV.本研究的初步结果表明La1.6Sr0.4Ni1-xCuxO4材料是一种电化学性能较为优良的新型中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阴极材料.

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Sm_(2-x)Ce_xCuO_4的制备与性能研究

采用甘氨酸-硝酸盐法合成了新型中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)阴极材料Sm_(2-x)CexCuO_4(SCC,x=0.0￣0.25)。利用XRD和SEM对材料的结构、化学稳定性和微观形貌进行分析表明,该阴极材料与电解质Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(1.9)(CGO)在1000℃烧结时不发生反应;且烧结2h后,二者之间形成良好的接触界面。利用交流阻抗和直流极化技术对电极的性能进行研究发现,随着Ce掺杂量的增加,极化电阻逐渐减小;Sm1.8Ce_(0.2)CuO_4在空气中的极化电阻最小,750℃为0.37Ω·cm^2;氧分压测试结果显示电极反应的速率控制步骤为电极上发生的电荷迁移过程。

中温固体氧化物燃料电池新体系材料研制

采用固相法合成电解质材料La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ(LSGM)和阳极材料La1-xSrxCr1-yMnyO3-δ(LSCM),用溶胶-凝胶法合成阴极材料La1-xSrxFe1-yCoyO3-δ(LSFC)。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、交流阻抗、直流四探针法等技术,对材料的结构及性能进行表征。在1450℃和1480℃下烧结24h均得到了单一相的LSGM;在1250℃和1350℃下烧结15h均得到了单一相的LSCM,LSCM在850℃时的总电导率为1.5S/cm;LSGM的阻抗图谱由两个半圆组成,显示出良好的离子电导特性;合成LSFC的胶体经过400℃和750℃焙烧后,形成了单一相的LSFC;用丝网印刷方式,制备LSCM/LSGM/LSFC(LSCM)三合一复合膜,电极膜的烧结温度为1150℃,以此复合膜为基础组装单电池并进行性能考察。

类钙钛矿型中温固体氧化物燃料电池Sm_(1.5)Sr_(0.5)Ni_xCo_(1-x)O_4阴极材料的制备与电化学性能研究

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阴极材料Sm1.5Sr0.5NixCo1-xO4(x=0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0),利用XRD和SEM对其物相结构和微观形貌进行了表征.结果表明,该阴极材料与电解质Ce0.9Gd0.1O1.9(CGO)在1200oC烧结时不发生反应,且在1100oC烧结4 h后,二者之间可以形成很好的接触界面.电化学性能结果表明,Sm1.5Sr0.5N i0.6Co1.4O4阴极在空气中700oC条件下测试得到的极化电阻为3.78 ohm.cm-2.电极的短期稳定性测试结果表明,在7200 s测量范围内,阴极电流密度随着测试时间的延长而缓慢下降最后逐渐趋于平稳,降幅约为2.1%.

中温固体氧化物燃料电池YBaCo_(2)O_(5+δ)阴极材料的改性研究

为了提高中温固体氧化物燃料电池层状钙钛矿氧化物YBaCo_(2)O_(5+δ)(YBC)阴极材料的电化学性,通过掺杂和包覆对其进行了改性研究。采用乙二胺四乙酸-柠檬酸络合法合成了YBC和YBa_(0.5)Sr_(0.5)Co_(2)O_(5+δ)(YBSC)氧化物粉体;采用溶液浸渍法制备了La_(2)NiO_(4+δ)(LN)包覆YBSC的复合阴极La_(2)NiO_(4+δ)@YBa_(0.5)Sr_(0.5)Co_(2)O_(5+δ)(LN-YBSC);分析了合成粉体的物相、电导率以及半电池上YBSC和LN-YBSC阴极的微观形貌和电化学性能。研究发现:LN为单相的Ruddlesden-Popper结构。掺Sr后的YBSC仍为四方晶体结构,与YBC结构一致。Sr掺杂引起移动间隙氧浓度增加导致电子空穴增大提高了YBSC的电导率。LN紧密、连续地分布在YBSC骨架表面,形成包覆结构。与YBSC阴极相比,LN-YBSC阴极的极化阻抗更小,LN的包覆提高了YBSC的电化学性能,这主要归因于LN具有较好的氧表面交换性能。

中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的性能(英文)

利用甘氨酸法合成复合材料La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)-Ce_(0.8)Ca_(0.2)O_(1.9),该材料作为中温固体氧化物燃料电池的阴极材料被研究,XRD、SEM-EDS、O_2-TPD等被用于检测材料的各种性能。得到优化的合成温度是1100℃,在该温度条件下晶粒的平均粒径为400nm,而且所合成的样品的元素比与所设计的化学计量比吻合。LSCF70-CDC的电导率在700℃温度下最高。氧的解吸结果表明结构中存在着几种不同类型的氧。

中温固体氧化物燃料电池层状钙钛矿阴极材料PrBaCo_2O_(5+x)的研究

为研究PrBaCo2O5＋x（PBCO）层状钙钛矿阴极材料作中温固体氧化物燃料电池阴极的可行性,通过溶胶凝胶法制备出该材料,并对材料的晶体结构、电导率、热膨胀以及电化学性能进行表征。XRD分析结果表明：PBCO的晶体结构属于斜方晶系。300~850℃时,PBCO的电导率可达1310~3315S·cm^-1,远高于SOFC电极的电导率标准（100S·cm^-1）。热膨胀测试表明,PBCO的热膨胀系数较高,30~1000℃的平均热膨胀系数（TEC）为21.5×10^-6K-1。以PBCO作电极,Sm0.2Ce0.8O1.9（SDC）作电解质,700~800℃温区内,对称电池PBCO//SDC的极化阻抗为0.089~0.029Ω·cm^-2。最后,以PBCO作阴极,300μm厚SDC作电解质,制备PBCO/SDC/NiO-SDC单电池,800℃时单电池的最大功率密度可达680mW·cm^-2。因此,PBCO氧化物有望作中温SOFC阴极的候选材料。

中温固体氧化物燃料电池碱土双掺杂钙钛矿型阴极材料研究

中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)作为一种能源转换装置持续成为研究热点,与铈基电解质相匹配的电极材料的研究已为业内共识。对于双掺杂碱土元素钛矿型阴极材料对微米纳米级阴极材料的微观结构、性能和导电行为及电池性能之间相互影响的规律的总结,为ITSOFC工业化奠定和扩充实验基础及相关的理论认识。

阳极支撑中温固体氧化物燃料电池的数值模拟

该文针对阳极支撑中温固体氧化物燃料电池建立了三维数学模型,以氢气作为燃料、空气为氧化剂,模拟了单电池内的组分扩散、气体流动、热量扩散、电荷运输等主要物理化学过程。将自己制备的电池各组元材料性能代入模型中进行了计算。计算出阴阳极催化层与扩散层交界面的O2、H2和H2O浓度的分布;扩散层中间和气体通道的燃料气与氧化剂气体速度矢量分布;各流场的压力分布及电极催化层的电流密度分布等电池特性。为阳极支撑中温固体氧化物燃料电池的设计和优化提供了充分合理的参考依据。

Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)为阴极的中温固体氧化物燃料电池(英文)

通过在阴极与氧化钇稳定的氧化锆电解质间添加Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC)隔层,成功地将Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)阴极应用在中温固体氧化物燃料电池上.由BSCF膜的高透氧率可知,BSCF在中温范围内具有很高的氧离子电导率.在添加GDC隔层后,电池以空气为氧化剂时显示了很高的性能,极化电阻急剧下降,表明GDC隔层的添加是必要和有效的.