固体氧化物燃料电池离子-电子混合传导性Ni/ScSZ燃料极的制备以及性能分析

在薄膜固体氧化物燃料电池中,为增加发生电化学反应的三相界面面积,燃料极和空气极通常制备成离子-电子混合传导性质的多孔形态。该研究将燃料极电化学反应(氢氧化反应)的催化剂——镍(Ni)和氧离子传导性好的氧化钪稳定的氧化锆(ScSZ)混合制备成离子-电子混合传导燃料极。实验结果显示,与纯Ni燃料极相比,所制备的Ni/ScSZ燃料极因其三相界面面积的增加,可显著降低极化电阻,但同时欧姆电阻也显著增加,从而最终导致燃料电池单池性能总体下降。

以(Cu–Ce–Zr–O)–ScSZ为阳极的固体氧化物燃料电池的制备及性能

采用浸渍法制备掺Cu的Ce–Zr–O固溶体。以掺Cu的Ce–Zr–O固溶体和Sc2O3稳定的ZrO2(scandium oxide-stabilized zirconia,ScSZ)为原料,制备可抗积碳的(Cu–Ce–Zr–O)–ScSZ多孔阳极。采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对固溶体和多孔阳极的物相组成和形貌进行表征。以甲烷为燃料气体对单电池发电性能进行测试,并与Ni–ScSZ阳极电池进行比较。结果表明:掺入Cu的Ce–Zr–O固溶体中含有ZrO2的四方相、单斜相和立方相,但以四方相为主。Cu和CeO2能有效提高阳极对抗积碳的催化性能。以湿甲烷为燃料气体在750℃运行时,(Cu–Ce–Zr–O)–ScSZ/ScSZ/LSM(La0.8Sr0.2MnO3)–ScSZ单电池的最大功率密度为435 mW/cm2,在50 h内,输出功率密度无明显衰减,输出性能基本保持稳定。

等离子喷涂Sc_2O_3-Y_2O_3-ZrO_2热障涂层组织结构和性能研究

采用化学共沉淀-煅烧法制备了7.1mol%Sc2O3 ～ 1.5mol%Y2O3-ZrO2（ScYSZ）设计成分复合陶瓷原粉,将该原粉经团聚造粒和高温烧结处理,使粉末流动性及松装密度满足等离子喷涂工艺要求.经大气等离子喷涂制备了超高温热障涂层.采用场发射扫描电子显微镜、X- 射线衍射对粉末组织结构、形貌进行了测试,并进行了涂层组织结构、高温相稳定性、隔热性能、热冲击性能及抗氧化性能进行了测试分析.结果表明所制备的ScYSZ团聚粉末在1200℃烧结处理2h 后,粉末呈球形、流动性好,满足等离子喷涂工艺要求.ScYSZ 粉末及其涂层室温均呈单一四方结构,1500℃热处理300h 后,ScYSZ 涂层无单斜相出现,具有非常优秀的高温相稳定性.在900℃～ 1500℃温度测量范围内,等离子喷涂ScYSZ 涂层的热导率为0.93 ～ 1.19W/m·K,明显低于目前广泛应用的等离子喷涂Y2O3-ZrO2 涂层的热导率（1.2 ～ 1.5W/m·K）.Sc2O3 的加入在提高了热障涂层的高温相稳定性的同时,也显著提高了涂层的隔热性能及抗热冲击性能,Sc2O3-Y2O3-ZrO2 很有希望成为1500℃使用的超高温热障涂层材料.

Sc2O3稳定ZrO2电解质材料及其研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是高效洁净利用碳基燃料的有效途径,具有高效率、环境友好、全固态结构等特点,并且适用于多种燃料气体,因此成为能源和材料领域的热点之一。SOFC的国际发展趋势是中温化,具有投资小、材料成本较低、电极不易老化、界面反应可有效控制等优点。电解质是整个SOFC的核心部件,增强电解质的电导率,开发高性能的电解质材料是SOFC实现大规模发展的关键。目前SOFC所使用的电解质主要为锆基固体电解质,其中Sc_2O_3稳定ZrO_2(ScSZ)是锆基固体电解质中离子电导率最高的电解质材料,是中温SOFC(ITSOFC)首选电解质。首先介绍了固体氧化物燃料电池的结构、工作原理、对电解质的材料要求及其技术发展趋势,然后阐述了ScSZ电解质材料的晶体结构、离子导电机制。重点总结了ScSZ电解质材料研究现状、发展趋势及发展前景。

Ni-CGO阳极支撑ScSZ/CGO复合电解质电池的制备及性能

用柠檬酸溶胶–凝胶法合成了Ce0.85Gd0.15O2–δ(CGO),用共沉淀法合成了掺摩尔分数为11%Sc2O3稳定的ZrO2(scandium oxide-stabilized zirconia,ScSZ)电解质材料。通过X射线衍射和透射电镜对电解质材料的物相、形貌和成分进行表征。结果表明:CGO和ScSZ在各自的煅烧温度下均形成了单一的立方萤石结构晶态;ScSZ颗粒的粒径约为20nm。用共压法分别制备了以NiO–CGO阳极支撑的CGO单层电解质和ScSZ/CGO复合电解质的基体,并在基体上涂覆阴极制作单电池。在650～800℃范围内测试单电池的电性能。结果表明:ScSZ/CGO双层电解质电池的开路电压和最大功率密度均高于单层CGO电解质电池;在800℃电流密度和功率密度达到最大值,分别为677.5mA/cm2和197.3mW/cm2。说明ScSZ/CGO双层电解质有效地提高了电池的性能。