基于无机固体酸的燃料电池用质子交换膜的研究进展

概述了基于无机固体酸的燃料电池用质子交换膜的发展背景以及研究现状,较详细地介绍了这类电解质膜的导电机理及其在机理方面的研究,展望了其发展前景,也提出了固体酸电解质膜应用中必须解决的问题。

固体酸燃料电池

固体酸燃料电池(SAFCs)具有不渗透燃料、较高电极催化活性和抗一氧化碳中毒的特点,作为燃料电池领域一个崭新的研究方向,具有良好的发展前景。本文概述了固体酸燃料电池的发展背景及目前的研究状况,较详细地介绍分析以固体酸为电解质膜的燃料电池反应机理及其研究进展,展望了固体酸燃料电池的发展前景,提出了固体酸燃料电池能得以应用必须解决的一些瓶颈因素。

中温固体氧化物燃料电池Sc掺杂锰酸锶镧阴极材料

采用改进的柠檬酸法合成了Sc掺杂的锰酸锶镧(LSM)材料(LSMS),即La0.8Sr0.2Mn1-xScxO3±δ(简写为LSMSx,x=0,0.02,0.05和0.1)复合氧化物.采用X射线衍射(XRD)、程序升温还原(H2-TPR)及电化学方法分别对合成材料的结构、还原行为及以LSMSx-YSZ(即LSMSx与8%Y2O3掺杂的ZrO2复合物)为阴极的中温固体氧化物燃料电池的性能进行了表征.XRD结果表明,在焙烧温度900℃、Sc掺杂量较低(x<0.1)时LSMS材料能形成纯钙钛矿结构,随着掺杂量和焙烧温度提高,LSMS发生了不同程度的Sc2O3偏析现象.H2-TPR结果表明,焙烧温度对材料还原峰的形状和温度影响较大.由于Sc的掺杂以及Sc2O3的析出在样品结构中引入了结构缺陷,提高了LSMS中Mn4+和氧空位的浓度,加快了体相氧的迁移,改善了材料的还原性.但是随着Sc含量和焙烧温度提高,Sc掺杂对样品的还原活性改善不明显,这是由于Sc2O3偏析量增加引起的.电化学方法表征结果表明,LSMSx-YSZ复合阴极电池性能受Sc掺杂量、操作温度及阴极焙烧温度的影响.在本研究的掺杂范围内,Sc的掺杂显著提高了LSM基阴极低温操作的性能.这主要是由于Sc掺杂LSMS-YSZ复合阴极中氧空位的数目增加,导致阴极对氧还原反应的电化学活性提高,改善了LSM基阴极由于氧空位不足引起低温下极化损失严重的问题.

甘氨酸法制备YSZ粉体及其在中温固体氧化物燃料电池中的应用

用甘氨酸法制备了堆积密度小于0．35％的疏松（Y2O3）0.08（ZrO2）0.02（YSZ）陶瓷粉体．研究了预烧温度对初级粉体的晶体结构、晶粒大小、比表面积、粉体形貌和烧结性能的影响，进一步研究预烧温度对YSZ烧结体电导率的影响．随着预烧温度的升高，粉体的晶粒尺寸增加，比表面积减小，烧结体的相对密度减小，粉体的多孔疏松程度降低．700℃预烧粉体的生坯最易致密化，得到的YSZ烧结样品具有最高电导率，其值在800℃时为0．029S·cm^-1．同时以700℃预烧的粉体为原材料，用共压共烧工艺，制备阳极支撑的厚度为10-20μm的YSZ电解质薄膜．以YSZ薄膜为基础的单电池在700℃下的最大功率密度达到470mW／cm^2．

BaCe_(0.9)Y_(0.1)O_(3-α)固体电解质燃料电池性能

通过高温固相反应制备了混合离子(质子和氧离子)导电性陶瓷BaCe_(0.9)Y_(0.1)O_(3-α),以该陶瓷作固体电解质,Pt作电极材料组成氢-空气燃料电池,测定了该燃料电池高温(600～1000℃)下放电时的电压-电流特性.结果表明,该燃料电池具有稳定的放电性能,输出功率密度高,1000℃下的最大短路电流密度和输出功率密度分别为980mA·cm^(-2)和0.22mW·cm^(-2),高于同类燃料电池的性能.

BaCe_(0.8)Y_(0.2)O_(3-α)固体电解质的离子导电性及其燃料电池性能

用高温固相反应合成了BaCe0.8Y0.2O3-α固体电解质用氢浓差电池和氧浓差电池方法研究了它的离子导电特性。以该氧化物为固体电解质多孔性Pt为电极材料组成氢空气燃料电池测定了该燃料电池的电流电压特性。研究发现BaCe0.8Y0.2O3-α在氢气中几乎是一个纯的质子导体在氧气中是一个氧离子和电子空穴的混合导体其燃料电池的开路电压OCV接近于理论值最大输出电流密度约为820mA·cm-21000℃最大输出功率密度约为200mW·cm-21000℃放电性能稳定具有良好的电池性能。

Ba_xCe_(0.8)Y_(0.2)O_(3-α)固体氧化物燃料电池性能

用高温固相反应法合成了BaxCe0 8Y0 2 O3 α(x=1 0 3,1,0 98)系列固体电解质,用粉末X射线衍射法研究了样品的晶体结构,用氢及氧浓差电池方法研究了样品的的质子及氧离子导电特性,测定了它们的氢 -空气燃料电池的放电性能.结果表明,各样品均为钙钛矿斜方晶单相结构;质子导电性和燃料电池输出电流密度均随样品中钡离子含量的增加而增大,Ba1 0 3Ce0 8Y0 2 O3 α具有最大的质子导电性和燃料电池输出电流密度;

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.

中温固体氧化物燃料电池SUS430/La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_3复合连接板材料制备研究

采用溶胶凝胶和等离子喷涂的方法 ,制备了SUS4 30 La0 .8Sr0 .2 MnO3复合连接板材料。通过TG、IR和XRD分析了La0 .8Sr0 .2 MnO3凝胶烧结过程 ;采用SEM、四探针法和氧化增重法分别研究了SUS4 30 La0 .8Sr0 .2 MnO3复合连接板材料的形貌、电子导电能力和高温抗氧蚀能力。经比较研究发现 ,溶胶凝胶和等离子喷涂都可以制备出高性能的SUS4 30 La0 .8Sr0 .2 MnO3复合连接板材料 ,陶瓷涂层致密度分别达到了 94 .6 %和 97% ;且腐蚀速率由SUS4 30材料的10 4 .93μg2 ·cm- 4·h- 1 分别降低到 2 6 .91μg2 ·cm- 4·h- 1 和 2 0 .39μg2 ·cm- 4·h- 1 ,在 80 0°C下它们的电导率分别为 11.17s·cm- 1和 12 .6 6s·cm- 1 。

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.

高性能镓酸镧基电解质燃料电池

制备并用多种电化学方法研究了LaGaO3基高性能中温固体氧化物燃料电池的电极和电解质材料,组装出了高性能单电池.实验发现,Co掺杂的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3电解质中,Co含量的增加显著提高了电解质的氧离子电导率,电解质的氧迁移数略有减小,是非常好的中、低温燃料电池电解质.钴掺杂的电解质不仅显著减小了电池的欧姆电阻,而且减小了电池的阴、阳极极化过电位.以La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.11Co0.09O3为电解质时电池在1073、973、873K下的最大输出功率密度分别达到1.77、0.92、0.41W·cm-2,是非常有前景的电池体系.

镓酸镧基陶瓷燃料电池电极材料研究进展

综述了镓酸镧基陶瓷燃料电池电极材料的研究进展,对目前广泛研究的Ni负极材料研究中存在的问题和改进研究进行了详细的介绍,评述了掺杂LaMnO3等正极材料与镓酸镧电解质的化学相容性以及今后电极材料的发展方向．

阳极支撑固体氧化物燃料电池的制备及性能

利用离心法成膜工艺在多孔Ni-YSZ阳极基体上制备8%(摩尔分数)YSZ电解质层,在1400℃共烧结,得到致密的YSZ膜和多孔结构的阳极。用苷氨酸-硝酸盐燃烧法合成超细阳极与阴极材料。其中,NiO-YSZ复合粉体用于阳极,La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF)和30%(质量分数)Ce0.9Gd0.1O1.95(GDC)复合材料用作阴极。以氢气为燃料,研究了500～800℃时Ni-YSZ阳极支撑体固体氧化物燃料电池(SOFC)单电池的性能。结果表明在500℃时电池开路电压(OCV)达1.10V,800℃时短路电流密度达1113mA/cm2,最大比功率为296mW/cm2。通过交流阻抗图谱分析,认为电解质欧姆电阻是影响电池性能的主要因素。

Ba_(1.03)Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(3-α)固体电解质的合成及其燃料电池性能

分别用高温固相反应法及溶胶一凝胶法合成了Ba1．03Ce0．8Gd0．2O3-α固体电解质，测定了两种方法合成样品的结构和600℃～1000℃时的氢-空气燃料电池性能．结果表明，两种方法合成的样品均为钙钛矿型斜方晶结构，用溶胶一凝胶法合成的粉体的烧结温度为1450℃，比高温固相法的烧结温度（1650℃）降低了200℃，其燃料电池具有更好的性能．

新型对称固体氧化物燃料电池电极材料La0.6Sr0.4Fe0.9Sc0.1O3-&的研究

对称固体氧化物燃料电池的主要难点在于选择合适的电极材料使其可以在阴极的氧化气氛和阳极的还原气氛中均保持稳定,对氧气还原和氢气氧化反应同时具有良好的催化活性。该文采用Sc掺杂的铁酸锶镧La0.6Sr0.4Fe0.9Sc0.1O3-δ做对称电极活性材料,实验结果表明其在氧气和氢气中具有良好的结构稳定性和理想的电导率。采用浸渍法在多孔La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ?衬底中沉积La0.6Sr0.4Fe0.9Sc0.1O3-δ纳米颗粒以制备复合电极,其对阴极和阳极电化学反应表现出较高的催化活性,在800℃时,电池空气中极化阻抗为0.015Ωcm2,通过优化后其在97%H2~3%H_2O中的极化阻抗为0.29Ωcm^2,最大输出功率为536 mW/cm^2。

Fe掺杂LSCCF对中低温固体氧化物燃料电池ITSOFC短期输出性能的影响

柠檬酸盐法制备La0.7Sr0.15Ca0.15Co1-xFexO3-δ(x=0.2、0.4、0.6、0.8)阴极材料。该前驱体在900℃处理2h后,XRD证实已经形成完整的钙钛矿结构衍射峰。随Fe掺杂量增加,XRD谱图衍射峰的位置向小角度发生偏移,粉体的晶粒尺寸逐渐变大。SEM观察La0.7Sr0.15Ca0.15Co1-xFexO3-δ粉体其表面活性较高并出现了一定的团聚现象,颗粒尺寸约为5μm。以La0.7Sr0.15Ca0.15Co1-xFexO3-δ为阴极,在氢气/空气中研究了模压法制备的单电池性能,Fe掺杂量对开路电压的高低不起决定性作用,而最高功率密度随Fe掺杂量增加而降低,在650℃最高功率密度由x=0.2时的351.7mW/cm2降为x=0.8时的231.1mW/cm2。

掺杂对BaFeO_(3-δ)基固体氧化物燃料电池阴极材料的影响

固体氧化物燃料电池是一种清洁、高效的能量转换装置,其工作效率受阴极的氧还原反应制约,发展高性能阴极材料成为提高固体氧化物燃料电池电化学性能的关键。Fe基钙钛矿氧化物BaFeO_(3−δ)具有较高的氧传输能力,由于BaFeO_(3−δ)在其工作温度内存在相变,因而对热匹配、电导率、电催化性能有不利影响。基于钙钛矿结构特点,通过元素掺杂可以将BaFeO_(3−δ)稳定在立方相结构避免相变的发生。综述了A位、B位元素掺杂对BaFeO_(3−δ)基阴极材料的容忍因子、晶体结构、电导率、氧的非化学计量δ、热膨胀系数和电化学性能等的影响。

固体氧化物燃料电池无钴钙钛矿阴极材料SrFeO_(3-δ)的掺杂改性

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种清洁、高效的能量转换装置,其性能主要受制于阴极的氧还原反应速率。传统高性能阴极材料以钴基材料为主,其价格昂贵、热膨胀系数大、化学稳定性差等制约了钴基材料的应用。为此,需要大力发展无钴阴极材料,具有钙钛矿结构(ABO_(3))的SrFeO_(3-δ)基材料是一种良好的离子-电子混合导体氧化物,它有巨大的潜力替代钴基材料。通过综述SrFeO_(3-δ)基阴极材料的掺杂改性,总结了A位、B位以及A/B位共掺杂的元素和掺杂量对SrFeO_(3-δ)的晶体结构、氧的非化学计量、热膨胀系数、电导率、氧传输和电化学性能等的影响。这些掺杂方式为发展和改性新型无钴阴极材料提供了一些新颖的策略。

用于燃料电池的Ln_（1－x）Sr_xMnO_3系阴极材料的研究

用固相反应合成了Ｌｎ１－ｘＳｒｘＭｎＯ３（Ｌｎ＝Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｙｂ和Ｙ，ｘ≤０．５）系钙钛矿型多元氧化物，用Ｘ光衍射分析测定了反应产物的相组成和结构类型．离子半径＞０．１Ａ的Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ等取代后的Ｌｎ１－ｒＳｒｘＭｎＯ３仍具有正交ＬａＭｎＯ３的结构，而离子半径＜０．９５Ａ的Ｙ和Ｙｂ取代后的产物，则为六方结构（Ｙｂ，Ｙ）ＭｎＯ３及第二相Ｓｒ（Ｙｂ，Ｙ）２Ｏ４还测定了产物的烧结性能和电导率．发现（Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ）１－ｘＳｒｘＭｎＯ３的电导率比Ｌａ１－ｘＳｒｘＭｎＯ３约高一个数量级以上，而且都能在ＺｒＯ２固体电解质上形成结合良好的膜材，所以有可能成为另一类性能良好的燃料电池的阴极材料．

掺杂镓酸镧基固体电解质的研究进展

综述近几年掺杂镓酸镧基固体电解质的研究进展,分析了掺杂LaGaO3结构及导电机制,讨论了碱土、过渡金属及杂相对掺杂镓酸镧固体电解质的导电性的影响,描述了掺杂镓酸镧固体电解质的应用前景,指出了尚存在的问题及解决问题的途径。