质子导体型可逆固体氧化物电池材料的研究进展

质子导体型可逆固体氧化物电池(P-RSOCs)具有质子传导活化能低、工作温度低和燃料灵活的特点,鉴于其在化学能和电能转化方面的效率与成本优势,被认为是一种极具发展潜力的能量转化和存储装置。本综述总结了P-RSOCs的研究进展,重点介绍了近5年的突破性工作,对电解质和电极的材料体系及制备技术进行了梳理与讨论,分析了P-RSOCs的应用前景和未来研究方向。钙钛矿氧化物多样化的组成与改性方式使其成为P-RSOCs的关键材料,多燃料特性、电解质与电极的界面性能和电池长期稳定性是当前面临的关键挑战。

乙醇燃料质子导体固体氧化物燃料电池的制备及性能

针对质子导体乙醇燃料电池运行中阳极催化活性低以及积碳问题,采用原位成相法制备一种具有树枝孔状阳极结构的质子导体固体氧化物燃料电池,通过在树枝孔状阳极微通道内负载高效纳米催化剂构建微通道反应器来实现乙醇燃料的内部转化。结果表明:当燃料中乙醇的体积分数为10%、操作温度为650℃时,电池的峰值功率密度由0.076 W/cm^(2)增加到0.161 W/cm^(2),电池最大功率密度增加111%;在电流密度0.5 A/cm^(2)时进行放电稳定性测试,电池稳定运行57 h,且纤维催化剂的高催化活性加速碳的氧化反应,促进碳的气化,电池阳极-电解质界面未发现明显碳沉积。

基于质子导体固体氧化物燃料电池制备乙烯的电化学模型研究

本文建立了质子导体固体氧化物燃料电池(H-SOFCs)的电化学模型,分析电能与乙烯共产的H-SOFCs的电化学性能、法拉第效率和能量效率。模拟结果表明:基于H-SOFCs制备乙烯需要向外界吸收热量,升高温度有利于提高乙烷的转化率和降低电池的极化损失;在所模拟的H-SOFCs中,欧姆过电势和活化过电势占主导地位,而浓差过电势几乎可忽略不计;由于质子导体电解质存在不可忽略的电子电导,造成电池内部短路,形成泄漏电流,泄漏电流密度随着输出电压的升高而增大,导致法拉第效率和能量效率下降。

基于CuO-ZnO的低温固体氧化物燃料电池性能

制备具有优异离子导电性和低温高化学性能的电解质是固体氧化物燃料电池实际应用的重要发展方向.基于p型CuO和n型ZnO构建p-n半导体异质结材料,并将其作为电解质应用于低温固体氧化物燃料电池.制备了不同质量比例CuO-ZnO的电解质材料,并组装Ni_(0.8) Co_(0.15)Al_(0.05)LiO_(2-δ)/CuO-ZnO/Ni_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)LiO_(2-δ)单电池进行性能测试.结果表明,基于纯ZnO电解质材料的燃料电池性能最低(在550℃开路电压为为0.8 V,最大功率密度为187.5mW/cm^(2)),复合质量比例为1∶9的燃料电池性能最为优异(在550℃开路电压为1.065V,瞬时最大功率密度为555mW/cm^(2)).通过对CuO-ZnO异质结复合材料的电化学阻抗分析,发现构建的p-n半导体异质结为离子传输提供了通道,提高了离子电导率.研究表明p-n型电解质复合材料在低温固体氧化物燃料电池的应用中具有很大潜力.

基于CuO-ZnO的低温固体氧化物燃料电池性能

制备具有优异离子导电性和低温高化学性能的电解质是固体氧化物燃料电池实际应用的重要发展方向。基于p型CuO和n型ZnO构建p-n半导体异质结材料,并将其作为电解质应用于低温固体氧化物燃料电池。制备了不同质量比例CuO-ZnO的电解质材料,并组装Ni_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)LiO_(2-δ)/CuO-ZnO/Ni_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)LiO_(2-δ)单电池进行性能测试。结果表明,基于纯ZnO电解质材料的燃料电池性能最低(在550℃开路电压为为0.8 V,最大功率密度为187.5 mW/cm^(2)),复合质量比例为1∶9的燃料电池性能最为优异(在550℃开路电压为1.065 V,瞬时最大功率密度为555 mW/cm^(2))。通过对CuO-ZnO异质结复合材料的电化学阻抗分析,发现构建的p-n半导体异质结为离子传输提供了通道,提高了离子电导率。研究表明p-n型电解质复合材料在低温固体氧化物燃料电池的应用中具有很大潜力。

质子型固体氧化物燃料电池阴极材料研究进展

质子型固体氧化物燃料电池(H-SOFC)具有广泛的应用前景,其阴极材料是目前研究的热点。本文综述了H-SOFC阴极材料的研究进展,分别对H-SOFC单相阴极和复相阴极的反应机理及影响单相阴极材料的质子化能力和复相阴极的三相界面(TPB)的因素进行了讨论,论述了改善H-SOFC阴极材料的热膨胀系数(TEC)和耐CO2性能的方法,介绍了相应材料的设计与开发。获得高的氧还原反应(ORR)活性和耐CO2性能,同时与质子型电解质保持良好的热膨胀匹配性是未来H-SOFC阴极材料的研究方向。

质子导体固体氧化物燃料电池的Ba2Co9O14阴极材料

Ba2Co9O14(BCO)是一种新型的电子-氧离子混合导体,在氧离子导体的固体氧化物燃料电池(SOFC)中,其作为阴极材料的应用可能性已经得到证实,本工作探索BCO在质子导体SOFC中的应用可能性。采用固相反应法制备BCO粉体,研究BCO与质子导体电解质BZCY(Ba Zr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ)之间的化学相容性,分析BCO-BZCY复合阴极在BZCY电解质上的电化学性能。当复合阴极中BCO的质量含量为70%时,阴极性能最佳,界面阻抗活化能为1.26 e V。以BCO-BZCY为阴极,Ni-BZCY为阳极,BZCY为电解质的阳极支撑型单电池,700℃时,单电池的极化阻抗为0.15Ω·cm2,最大功率密度为400 m W·cm-2。

质子导体固体氧化物燃料电池三重导电阴极材料制备方法研究进展

质子导体固体氧化物燃料电池可在较低的工作温度下工作,为固体氧化物燃料电池的密封与长期工作提供了便利。随着工作温度的降低,阴极材料的性能出现较快下降,开发三重导电阴极材料是提高质子导体固体氧化物燃料电池输出性能的重要研究方向。介绍了质子导体固体氧化物燃料电池三重导电阴极的工作原理,并着重介绍了三重导电阴极材料的制备方法,并总结了三重导电阴极设计开发的思路。

质子导体固体氧化物燃料电池的PrBa_(0.5)Sr_(0.5)Cu_2O_(6-δ)复合阴极材料

采用柠檬酸盐燃烧法制备了无钴双钙钛矿氧化物PrBa_(0.5)Sr_(0.5)Cu_2O_(6-δ)(PBSC)粉体,探究其作为质子导体固体氧化物燃料电池(H-SOFCs)阴极材料的可行性。研究了它与质子导体电解质BaZr_(0.1)Ce_(0.7)Y_(0.2)O_(3-δ)(BZCY)之间的化学相容性,分析了单相阴极PBSC、复合阴极PBSC-BZCY与电解质之间的热匹配性,并测试了单电池的电化学性能。结果发现,以PBSC为阴极、NiO-BZCY为阳极、BZCY为电解质的单电池在750℃时的最大功率密度为230 mW·cm^(-2),表明PBSC可作为H-SOFCs的阴极材料。而以PBSC-BZCY为阴极的单电池在750℃时的最大功率密度高达669 mW·cm^(-2)。复合阴极电池性能的大幅提高主要与阴极反应从单相阴极/电解质界面扩展到复合阴极电池的整个阴极区域,大幅降低电池电阻有关。PBSC-BZCY复合阴极在H-SOFCs中的应用具有较好的前景。

质子传导型固体氧化物燃料电池材料及电化学性能研究进展

燃料电池(SOFC)是一种能够将化学能直接转化为电能的清洁能源转换装置,根据电解质材料传导离子的不同,可将电解质分为氧离子导体型和质子导体型两种,因而SOFC可分为氧离子导体SOFC(O-SOFC)和质子导体SOFC(H-SOFC)。传统的高温O-SOFC已经发展多年,制备技术成熟,在高温下性能优越,但是随着电池工作条件往中低温发展,质子传导型固体氧化物燃料电池(H-SOFC)具有更低的工作温度、更小的活化能值和更高的电池效率,因而得到了研究者的广泛关注和发展。本文主要介绍了质子传导型固体氧化物燃料电池的结构、工作原理,并在此基础上着重分析了近年来质子传导型燃料电池的材料包括单相阴极、复合阴极、BaCeO_(3)和BaZrO_(3)形成的固溶体电解质、阳极改性以及性能优化等主要研究方向和发展趋势。分析了目前阳极和电解质种类少、阴极催化活性低的问题。

阳极支撑质子导体电解质固体氧化物燃料电池的制备及其性能研究

本研究采用高温固相反应法合成了BaCe0.7Zr0.1Y0.2O3–δ(BCZY7)质子导体氧化物,对材料的物相结构和微观形貌进行表征和分析,并将BCZY7作为固体氧化物燃料电池(SOFC)的电解质,通过浸渍法和共烧结法成功制备了阳极支撑的NiO-BCZY7/BCZY7/La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3–δ(LSCF)-BCZY7钮扣式电池。以氢气(含3vol%H2O)为燃料,空气为氧化剂,对电池的电化学性能进行测试。结果表明,在600、550、500℃时,电池的最高功率密度分别为203, 123, 92 mW·cm–2,而传统(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08基SOFC在600℃时通常只有几十毫瓦的单位面积输出,质子导体电解质可以极大改善SOFC的中低温性能,缓解SOFC工作温度高的问题。

质子导体固体氧化物燃料电池模拟研究的进展

质子导体固体氧化物燃料电池(H-SOFCs)具有全固态结构及燃料适用性广等优点,对于解决世界能源短缺和改善环境污染等问题存在巨大潜力。本文首先介绍了H-SOFCs的工作原理,然后对电化学模型建立过程进行综述,最后指出在电池堆电化学模型研究中需注意的问题。

质子导体固体氧化物电化学装置中氨的利用与合成

氨作为一种理想的储能材料和氢能源载体,其在质子导体固体氧化物电化学装置中的利用与合成可实现高效清洁的发电和储能。本文综述了质子导体固体氧化物电化学装置中氨的利用与合成的实验和理论研究进展,在实验研究方面全面分析了电解质和氨电极材料的开发,在理论研究方面重点讨论了热力学-电化学模型和密度泛函理论(DFT)的研究概况。电解质的质子电导率和氨电极的催化活性是影响电化学装置性能的关键因素,因此开发高质子电导率的电解质和高催化活性的氨电极仍是主要的研究方向。热力学-电化学模型和基于DFT的理论研究可分别为电化学装置的结构设计/运行条件的优化和氨电极材料的开发提供有效指导和思路,但是对于更高层次(三维)的热力学-电化学模型理论研究和氨电极材料上氮气的电化学活化机理的研究仍需加强。最后总结指出了质子导体固体氧化物电化学装置中氨的利用与合成的未来研究方向。

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。

Ba_(0.95)Ce_(0.9)Y_(0.1)O_(3-α)固体氧化物的离子导电性及其燃料电池性能

以Ba0 .95Ce0 .9Y0 .1O3-α氧化物陶瓷为固体电解质 ,以多孔性Pt为电极材料 ,分别组成氢、氧浓差电池和氢_空气燃料电池 ,测定了 6 0 0～ 10 0 0℃范围内的浓差电池电动势 ,燃料电池的放电性能和电极极化性能 .结果表明 ,Ba0 .95Ce0 .9Y0 .1O3-α在氢气氛中几乎是一个纯质子导体 ,在氧气氛中是氧离子与电子空穴的混合导体 ,氧离子迁移数在 0 .3～ 0 .5之间 ,在氢_空气燃料电池条件下显示出混合离子 (质子 +氧离子 )导电性 ,总离子迁移数大于 0 .9.该燃料电池性能良好 ,Pt电极极化性能很小 ,最大输出电流密度为 6 80mA·cm- 2 (10 0 0℃ ) ,最大输出功率密度为 16 0mW·cm- 2 (10 0 0℃ ) .

中温固体氧化物燃料电池电解质研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型能源转换装置,电解质是其核心部件之一。SOFC的中温化发展要求电解质材料在中温条件下(500?C～700?C)具有较高离子电导率,在电池运行环境下具有良好的长期稳定性。本文主要综述了氧离子传导型电解质、质子传导型电解质和复合电解质的研究进展,分析了制约其发展与应用的难题,指出了中温电解质材料的发展方向。

热压制备低温固体氧化物燃料电池的初步研究

引言固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells,SOFC)由于具有能量转化效率高,不采用贵金属(如铂等)作催化剂,可直接使用碳氢燃料,易实现热-电联供或与燃气轮机组成联合循环系统,对环境友好。

管式质子导体陶瓷燃料电池制备工艺研究进展

管式固体氧化物燃料电池(Tubular Solid Oxide Fuel Cell,T-SOFC)是一种全固态、绿色高效、可直接将燃料中的化学能转化为电能的电化学装置,具有启停速度快、密封容易、热循环稳定性好、机械强度高、工作面积大等优点,因而被认为是未来最接近于实用化的一种SOFC构型。相较于氧离子传导型SOFC,质子导体陶瓷燃料电池(Protonic Ceramic Fuel Cell,PCFC)由于质子本身半径较小,迁移所需活化能低,在中低温下表现出优异的电化学性能,而管式结构能改善PCFC强度较低的缺陷,更具实际应用前景。通过对管式PCFC的工作原理、关键材料、制备工艺等方面进行梳理,详细总结了注浆成型、挤出成型、提拉浸渍、相转化、流延成型、等静压成型等工艺制备管式PCFC的进展和面临的难点,最后,对管式PCFC未来的发展和挑战进行了展望。

BaCe_(0.9)Y_(0.1)O_(3-α)固体氧化物燃料电池电极极化性能的研究

以BaCe0.9Y0.1O3-α氧化物陶瓷为固体电解质,以多孔性Pt为电极材料,组成氢-空气燃料电池,用电流遮断法分别测定了600℃～1000℃范围燃料电池输出电流时的欧姆电位降和正负极的电极极化 结果表明,该燃料电池的优良性能与Pt电极很小的极化作用密切相关,正负极的电极极化皆随着温度的升高而变小。

SOFC用钙钛矿型质子传导固体电解质

钙钛矿型高温质子导体BaCeO3、SrCeO3和MZrO3在纯H2气氛中为纯质子导体,但在SOFC工作条件下,有些表现为质子、氧离子,甚至电子的混合导体,有些质子导体在CO2气氛中的化学稳定性较差。通过掺杂和化学计量比的控制,这些问题可以得到改善。介绍了钙钛矿型质子导体SOFC的工作原理、质子传输机理及SOFC用电解质的性能。