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。

中低温固体氧化物燃料电池半导体复合异质结电解质研究进展

中低温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)是未来发展的趋势,单相电解质的离子电导率在600℃以下达不到≥ 0.1 S/cm的商业化应用标准,因此必须开发适合于中低温SOFC的复合电解质材料。本文通过大量研究对比综述了钐掺杂氧化铈–半导体复合异质结电解质、钆掺杂氧化铈–半导体复合异质结电解质、其他离子导体–半导体复合异质结三类半导体–离子导体复合电解质,以及两相半导体复合异质结电解质的研究进展。研究表明与半导体复合后形成的异质结电解质最高电导率 ≥ 0.2 S/cm,是单相电解质电导率的2~3倍,其中钐掺杂氧化铈(SDC)–半导体复合异质结电解质具有更高的离子电导率和更高的功率密度,SDC与多种半导体材料复合后制成的电池最大功率密度 ≥ 1000 mW/cm2,体现出更加优异的性能。这是由于半导体与离子导体的两相复合存在大量异质界面,在异质界面产生内建电场,从而提高材料的离子电导率,同时抑制其电子电导,显示出优异的电学性能。研究结果期望为实验上制备出性能优异的半导体复合异质结电解质提供理论指导。

中低温固体氧化物燃料电池Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2-δ)纤维骨架复合阴极的构建与电化学性能研究

为了降低固体氧化物燃料电池(Solid Oxide of Fuel Cell, SOFC)的操作温度,需要将SOFC的阴极催化活性提高,为此,设计和构建了一种SOFC的Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2-δ)(GDC)纤维骨架复合阴极,最终获得了较低的阴极阻抗。采用溶胶—凝胶法结合静电纺丝制备GDC纤维前驱体,在950℃下煅烧得到一维纳米纤维棒,再与GDC电解质在1450℃下共烧得到孔隙率为70 vol.%孔隙率的纤维骨架。分别采用浸渍LSCF离子溶液和LSCF粉体悬浮液制备出纤维骨架复合阴极,并与传统的LSCF-GDC粉体阴极进行微观结构和电化学性能对比,结果表明制备的纤维骨架复合阴极具有较多的三相界面处,两种骨架阴极的极化阻抗均小于传统阴极极化阻抗。采用弛豫时间分布法分析三种对称电池的极化阻抗,明确了在GDC纤维骨架上浸渍LSCF离子溶液明显提高阴极性能的原因。构造的纤维骨架复合阴极可以克服传统阴极与电解质界面结合活性较差或因晶粒长大导致的阴极三相界面变少的问题,且在550℃~750℃的各个测试温度点,其极化阻抗值均低于传统阴极极化阻抗值约一个数量级,在650℃极化电阻仅为0.050Ω·cm^(2),小于传统复合阴极650℃下的极化阻抗0.280Ω·cm^(2)。因此本研究所获得的阴极是一种可在中低温下使用的SOFC高催化活性纤维骨架复合阴极。

中温固体氧化物燃料电池阳极基底及负载型电解质薄膜的研制

在用固相反应法合成电解质材料Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３－δ（ＬＳＧＭ）的基础上，研制出中温固体氧化物燃料电池ＬＳＧＭ＋ＮｉＯ阳极基底；考察了阳极基底孔隙率、孔径分布及电导率随组成变化的规律；研究了阳极基底组成、微观结构、制备工艺等对负载型ＬＳＧＭ电解质薄膜成膜过程及质量的影响和负载型电解质薄膜在还原气氛中的结构稳定性；采用湿化学物理方法及等静压烧结工艺成功地制备出了厚度为２０～５０μｍ的负载型致密ＬＳＧＭ电解质薄膜．研究表明；ＮｉＯ含量为６０％的阳极基底具有适宜的烧结收缩率、孔隙率与孔径分布，且比表面积与比孔容积均较大，适合作为ＳＯＦＣ的阳极．随着ＮｉＯ含量的增加，还原后阳极基底的电导率有所增大．其中低ＮｉＯ含量的阳极基底在还原后的初生态，其电导率在交变信号的诱导下发生弛豫现象而迅速增大，并由离子导电性转变为金属导电性．而高ＮｉＯ含量的阳极基底，其还原后的电导率随测量时间的延长变化很小，并从一开始就表现出金属导电的性质．采用无约束烧结程序制备的负载型ＬＳＧＭ电解质薄膜，表面为粗大的片状晶粒，还原后在晶界处产生裂纹．而采用等静压烧结程序制备的负载型ＬＳＧＭ电解质薄膜，表面为细小、形状规则的晶?

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(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。

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。

中低温固体氧化物燃料电池的研究

中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)是燃料电池研究的一个重要方向,综述了研究开发中低温SOFC的途径及现状,并指出了应解决的几个问题。

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。

中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质材料

在固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）研究中，中低温ＳＯＦＣ的研究日益受到人们的重视，研究热点主要集中在电解质材料及其薄膜制备，主要包括锆基电解质薄膜（１～２０μｍ），铈基电解质，铋基电解质以及复合氧化物电解质材料的研究，其ＳＯＦＣ操作温度一般在５００～８００℃。其中以各种掺杂铈基电解质研究最多，而且在中低温ＳＯＦＣ应用中已显示出一定的潜在优势。

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。

中低温固体氧化物燃料电池合金连接体保护涂层研究进展

Fe-Cr铁素体合金是中低温固体氧化物燃料电池理想的连接体材料,但其在高温下缺乏良好的抗氧化性能,且会引起阴极"Cr中毒"现象,影响了电池的高效安全运行,目前解决上述问题的主要方法是对合金连接体进行表面改性,在连接体表面开发导电性保护涂层。介绍了中低温固体氧化物燃料电池Fe-Cr合金连接体表面涂层材料的主要作用和具体要求,着重阐述了目前连接体涂层材料的主要类型及其研究进展,并指出了目前该领域研究中存在的问题及今后的发展方向。

固体氧化物燃料电池的中低温化研究

中低温固体氧化物燃料电池 (IT SOFC)是目前固体氧化物燃料电池研究的热点和发展的趋势。对中低温固体氧化物燃料电池的研究现状进行了综述 ,重点对降低SOFC操作温度主要途径 ,如电解质薄膜化、新型高电导率电解质材料和高性能电极的研究等几方面进行了论述。

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.

中低温固体氧化物燃料电池复相固体电解质的研究进展

介绍了复相固体电解质材料在中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)的研究进展,重点评述了Y掺杂ZrO2(YSZ)/绝缘体、掺杂CeO2/绝缘体、掺杂CeO2/无机盐及质子导体基复相电解质材料的结构设计、制备以及电导率和单体电池性能提升的机理。指出了纳米复相电解质材料在中低温SOFC应用的可能性、存在的问题及发展趋势。

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。

以木片气为燃料的中温型固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合动力系统性能研究

以木片气化气为燃料,建立中温型固体氧化物燃料电池(intermediate temperature solid oxide fuel cell,IT-SOFC)/燃气轮机(gas turbine,GT)混合动力系统的详细模型,分析混合动力系统的运行性能,研究生物质气的组分和水碳比的变化对混合动力系统性能的影响。结果表明,在设计工况下,以木片气化气为燃料的IT-SOFC/GT混合动力系统的发电效率高达59.24%,具有较好的系统性能。生物质气组分的变化对混合动力系统性能影响很大,H2百分比的变化使系统输出功率变化幅度最大,CO和CH4相近,系统的发电效率随H2百分比增加略有上升,随CO和CH4百分比的增加下降明显。研究还表明,当水碳摩尔比([S]/[C])改变时,系统输出功率和发电效率随着[S]/[C]的减小而逐渐增加,但从系统运行安全性和寿命方面考虑,应选择适当的[S]/[C]值。

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.