双钙钛矿Sr_(2)CoFeO_(5+δ)阴极材料的制备及其中温固体氧化物燃料电池性能研究

随着操作温度降低,中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)需要更高催化活性的阴极材料来提升电池性能。为此,本研究采用溶胶-凝胶法合成了双钙钛矿Sr_(2)CoFeO_(5+δ)(SCF)阴极材料,并探讨了SCF阴极与摩尔分数20%Sm_(2)O_(3)掺杂的CeO_(2)(SDC)进行不同比例的复合对电极性能的影响,优化了电极的化学膨胀和面积比电阻(ASR),进而提升了SOFC单电池的电化学性能。结果表明,SCF作为SOFC阴极,经950℃退火10 h后与普通电解质具有良好的化学相容性;其中,SCF与SDC按照质量比1:1复合的样品可以将纯SCF样品的平均热膨胀系数(TEC)从2.44×10^(−5)K^(−1)显著降到15.4×10^(−5)K^(−1)。此外,SCF-xSDC(x=20,30,40,50,x为SDC的质量分数)复合阴极的ASR在800℃下分别低至0.036、0.034、0.028和0.092Ω·cm^(2),SCF-40SDC在所有温度范围内都表现出更小的ASR。复合SDC可以优化SCF的三相界面且进一步提高SCF阴极的催化活性,以0.3mm厚La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)为电解质的SCF-40SDC单电池(757 mW·cm^(−2))比SCF单电池(684 mW·cm^(−2))的最大功率密度更优,且超过目前大部分的文献报道。本研究制备的SCF−40SDC是一种性能优异的复合阴极材料,有望应用于中温固体氧化物燃料电池。

固体氧化物燃料电池和分部加热式S-CO_(2)循环联合发电系统设计与分析

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)与余热回收相结合可进一步提高系统能量转换效率。该文设计一种SOFC与分部加热式超临界二氧化碳(partial heating supercritical CO_(2)Brayton cycle,PHSCBC)动力循环集成系统,SOFC系统的出口废气作为高温热源,驱动PHSCBC进行联合发电。建立系统的电化学模型和热力学模型,对系统的能量和(火用)进行综合评价,并通过参数分析,研究汽碳比、燃料流量、压缩机进口温度和压力以及夹点温差对联合发电系统性能的影响。对系统性能进行优化,发现当系统燃料流量为0.54 mol/s、空气流量为6.19 mol/s,可达到净发电功率、发电效率、(火用)效率分别为260.08 kW、61.20%、56.54%,其中提高燃料流量将显著提高系统发电效率。所提出的混合系统具有高效、低成本和清洁的发电和供热性能,是一种具有实际应用前景的先进能量转换技术。

一种以H_2S为燃料的固体氧化物燃料电池(英文)

研究了在一个大气压和 75 0～ 85 0℃下 ,具有H2 S、(MoS2 +NiS +Ag) /YSZ/Pt和空气结构的固体氧化物燃料电池的电化学性能 ,发现升温有助于增强电解质的离子传导性 ,使电池性能变好 .在 75 0℃下 ,阳极通入H2 S、阴极通入空气时 ,电池的最大电流密度和最大功率密度分别达 80 0mA/cm2 和 84mW /cm2 ;在85 0℃下 ,电池的最大电流密度和功率密度分别达 175 0mA/cm2 和 2 0 0mW /cm2 .

H_2S/air固体氧化物燃料电池的性能研究

采用陶瓷薄膜技术及溶胶-凝胶法制备了氧离子传导YSZ(Y2O3稳定的ZrO2)电解膜与电极催化剂,构建了膜电极组装(MEA)及结构为H2S、(复合MoS2阳极)/YSZ传导膜/(复合NiO阴极)、空气燃料电池系统;通过在MoS2中掺杂NiS、电解质、Ag粉和淀粉制备了双金属复合MoS2阳极催化剂,在NiO中添加电解质、Ag粉和淀粉制备了复合NiO阴极催化剂;考察了不同操作温度对电池性能的影响,比较了几种不同电极催化剂的性能,研究了H2S/air固体氧化物燃料电池的电化学性能。实验结果表明,在H2S环境中,复合MoS2阳极催化剂比MoS2和Pt具有更好的性能,复合NiO阴极Pt阴极的极化小;在电极催化剂中加入Ag可显著提高电极的导电性,添加电解质和淀粉可以提高电极的离子传导性和多孔性;操作温度增加,传导膜的电传导率和电化学反应速率增加,电池的输出电流与功率密度增加,电化学性能变好。电池连续运行1～4d几乎不降级。在850℃和101.13kPa时,燃料电池最大输出功率密度为155mW·cm-2,对应的电流密度为240mA·cm-2。

不同元素掺杂ZrO_(2)基固体氧化物燃料电池电解质电性能研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是未来的清洁能源技术之一,电解质是核心部件。ZrO_(2)基SOFC电解质中含有氧空位是氧离子传导的基础,通过在ZrO_(2)中掺杂低价金属离子能够制造氧空位。综述了不同元素掺杂ZrO_(2)基SOFC电解质电性能的研究进展,按照掺杂元素的多少分为一元、二元及多元掺杂ZrO_(2)电解质三大类,在每一大类下,根据掺杂元素的种类特点进行了细分与论述。归纳了ZrO_(2)电解质的性能和掺杂金属离子的关系,以及不同金属离子掺杂的优缺点,展望了ZrO_(2)基电解质的发展趋势。

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。

H_2S固体氧化物燃料电池的制备及其性能

采用尿素燃烧法制备La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(记作LSCF,下同)钙钛矿型阴极催化剂前体粉末,经800℃锻烧后具有典型的钙钛矿结构。在400～950℃温度范围内,催化剂具有较高的电导率,满足固体氧化物燃料电池阴极的要求。研究了以H2S为燃料气时,单体固体氧化物燃料电池(CoS-Mo2S)/BaCe0.9-xZrxY0.1O3/LSCF在不同温度下的电化学性能以及脱硫性能。结果表明:电池的最大电流密度、最大功率密度以及对H2S的脱除率均随温度的升高而增大;在反应温度为850℃,燃气流量为50 mL/min的条件下,电池的最大电流密度和最大功率密度分别为39.52 mA/cm2,6.38 mW/cm2;900℃时,H2S的脱除率达72%。

新型固体氧化物燃料电池阴极材料Ca_(2-x)Sr_xFe_2O_5的电化学性能研究

采用固相法合成了固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料Ca2-xSrxFe2O5(x=0.00,0.05,0.10,0.15,0.20),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固体电解质Sm0.8Ce0.2O1.9(SDC)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,阴极上的反应过程主要为电荷的迁移反应,其中Ca1.95Sr0.05Fe2O5电极在空气中700℃下具有最小的极化电阻为0.95Ω.cm2。当测试温度为700℃时,阴极电流密度为74mA.cm-2时,阴极过电位为100mV。

CH_4-O_2固体氧化物燃料电池化学反应研究

研究了以甲烷为燃料气体、空气为氧化气体的固体氧化物燃料电池中的主要化学反应。同时研究了固体氧化物燃料电池电极结构、三相界面（电解质／电极／气体）结构和运行环境以及它们对电池主要化学反应的影响。并通过研究Ｐｔ｜ＹＳＺ｜Ａｇ固体氧化物燃料电池的开路电压与甲烷流量的关系，探讨燃料电池中的主要化学反应过程对电池性能的影响。研究表明，增加电极的孔隙率，可以增加三相界面的面积，从而增加有效反应区域，有利于电池反应。提高运行温度和阴极室氧的浓度，可以提高甲烷的利用率和电池的性能。

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Ba1-xSrxCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ的制备与性能研究

采用固相法合成Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4)阴极材料。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。XRD测试结果表明Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ样品经1000℃,烧结10 h后形成了立方钙钛矿结构。从样品的电镜照片看出样品具有均匀的孔隙率,电解质(Ce0.85Sm0.15O1.925)-阴极(Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ)之间的界面结合良好。电化学交流阻抗测试结果表明Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ中掺入Sr可以明显地降低阴极的极化电阻,随着Sr含量的增多,阴极的界面极化电阻(RP)先减少后增大,当Sr的含量x为0.2时Rp值最小。以Ce0.85Sm0.15O1.925(SDC)电解质为支撑体,Ni0.9Cu0.1-SDC为阳极,Ba0.8Sr0.2Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ为阴极的单电池的最大功率密度在600℃时达到155 mW/cm2。实验结果表明Ba0.8Sr0.2Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ材料是一种电化学性能较为优良的中温固体氧化物燃料电池阴极材料。

CeO_2在固体氧化物燃料电池阳极Cu-SDC中的作用

采用甘氨酸-硝酸盐方法制备Cu-SDC和Cu-CeO_2-SDC燃料电池阳极,对性能进行了测试和分析。结论给出在Cu-SDC阳极材料中加入CeO_2,使电池的过电位下降,输出功率提高。在600℃时,Cu-CeO_2-SDC样品的电流密度达到了0.1 Acm^(-2),阳极过电位达到0.16 V。800℃时,电池输出功率由33 m W/cm^2提高到54 m W/cm^2。

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Nd_(2-x)Sr_xCuO_4的制备与性能研究

采用固相法合成了类钙钛矿结构的中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）阴极材料Nd2-xSrxCuO4（简称NSC，x=0．0-0．1）。通过XRD和SEM对材料进行了表征。结果表明该阴极材料与电解质Ce0.9Gd0.1O1.9（CGO）在1000℃烧结4h后不发生化学反应，具有良好的化学相容性：且烧结后二者之间能形成良好的接触界面。利用交流阻抗谱研究了电极的性能。发现随着Sr掺杂量的增加，极化电阻逐渐减小，其中Nd1.93Sr0.07CuO4在空气中的极化电阻最小，750℃时仅为0．14Ω·cm^2。700℃时，电极反应的速率控制步骤为电极上发生的电荷转移过程。

固-溶法制备中温固体氧化物燃料电池高性能La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_3-Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_3阴极（英文）

研究了新型固溶法合成La0.8Sr0.2MnO3(LSM)包覆Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3(BSCF)复合粉体(LSM-BSCF),并探讨了其作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料的电化学性能.LSM-BSCF阴极结合了LSM和BSCF阴极的优点,不仅增大了三相界面,而且稳定了微观结构.当温度为600儃750°C时,其极化阻抗为0.61儃0.09Ω·cm2.与溶液注入法制备的高性能电极相比,极大地提高了性能稳定性.

中温固体氧化物燃料电池La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-)Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-σ)阴极的制备研究

使用固溶包覆法成功合成了La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-σ)(LSM)包覆Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-σ)(BSCF)的LSM-BSCF复合粉体,分析了复合粉体的物相组成,形貌结构,抗CO_2气体毒化能力以及相应电极电化学性能,结果表明所制备的粉体成相良好,具有较好的抗CO_2毒化性能,而电化学性能有所降低。

固体氧化物燃料电池中CH_4与CO_2重整反应的研究

概述了有关CH4和CO2重整反应在固体氧化物燃料电池(SOFC)中的研究进展。对该反应在SOFC阳极活化及重整的反应机理进行了探讨;讨论了反应温度、压力等因素对阳极表面产生积碳的影响,分析了有利于消除积碳、促进反应进行的压力及温度范围;介绍了开发新型、高效、抗积碳的阳极材料来改善SOFC阳极积碳状况的方法,如:在阳极材料中添加不同的活化成分、助剂及选择不同载体等。

CeO_(2)基电解质固体氧化物燃料电池Al_(2)O3-SiO_(2)-B_(2)O_(3)-Na_(2)O系玻璃密封材料性能研究

采用高温熔融法制备了Al_(2)O3-SiO_(2)-B_(2)O_(3)-Na_(2)O系玻璃密封材料,研究了Al_(2)O_(3)含量对Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-B_(2)O_(3)-Na_(2)O玻璃材料密封性能的影响。同时应用FactSage热力学软件对该材料体系进行了相转变计算,对密封材料成分和相组成进行了设计优化。通过实验研究了Al_(2)O_(3)含量对玻璃密封材料热膨胀系数的影响,并将该密封材料应用于CeO_(2)基电解质固体氧化物燃料电池。结果表明,随着Al_(2)O_(3)含量从10 wt.%、20 wt.%增加到30 wt.%,玻璃密封材料的实际使用温度从700℃提高到780℃,热膨胀系数分别为11.25×10^(−6) K^(−1)、11.21×10^(−6) K^(−1)和11.15×10^(−6) K^(−1),与实验测得GDC电解质热膨胀系数10.94×10^(−6) K^(−1)相近,密封材料的稳定性较高,且封接单电池后电池测试结果良好。

中温固体氧化物燃料电池阴极Sr3Fe2-xNixO7-δ（x=0,0.1,0.2,0.3）的制备与性能

采用溶胶凝胶法(sol-gel)合成了Sr3Fe2-xNixO7-δ(x=0,0.1,0.2,0.3)系列阴极材料,通过X射线衍射、热膨胀系数测试、电导率测试、极化阻抗(Rp)测试、单电池性能测试等对材料的物相结构、热力学性能、电化学性能进行了表征。结果表明,所有样品均成功合成为具有类钙钛矿结构的单一纯相。热膨胀系数随着Ni元素掺杂含量的提高而不断下降。其高温电导率随着Ni元素掺杂含量的提高而升高,SFN30具有该系列最高的电导率101S·cm^-1。该系列样品的极化阻抗随着Ni元素掺杂含量的提高呈现先下降后上升的趋势,SFN10在800℃具有小的极化阻抗(Rp=0.0788Ω·cm2)。电解质支撑的单电池输出功率变化趋势与极化阻抗趋势一致,SFN10在800℃获得421.6mW·cm^-2的输出功率密度。

电解质掺杂Na_2SO_4对固体氧化物燃料电池性能的影响

以不同含量的Na2SO4掺杂YSZ(Y2O3稳定的ZrO2,Y2O3的摩尔分数为8%)为复合电解质,Co3O4为阳极催化剂,La0.7Sr0.3MnO3为阴极催化剂,组装固体氧化物燃料电池,以二氧化硫气体为燃料气,测试复合电解质材料电池的电化学性能。结果表明:以质量分数为25%的Na2SO4+YSZ为复合电解质的电池在700℃时,获得最大开路电压372 mV,功率密度7.87 mW·cm-2。以不同含量的Na2SO4掺杂YSZ作为复合电解质时,电池的电流密度和功率密度的高低顺序均为:质量分数25%的Na2SO4+YSZ>质量分数16%的Na2SO4+YSZ>质量分数8%的Na2SO4+YSZ>质量分数50%的Na2SO4+YSZ>YSZ。

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。

中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料LaBiMn_2O_6-Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)的制备与电化学性质

采用甘氨酸燃烧法合成了LaBiMn_2O_6粉体,并与Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)均匀混合制备了LaBiMn_2O_6-Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)(LBM-SDC)复合阴极材料。利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对材料的物相及微观形貌进行分析,结果表明LBM与SDC在1 000℃下有良好的化学稳定性。SDC的复合增加了氧离子传导路径,进而使氧还原反应(ORR)速度加快。电化学阻抗谱(EIS)测试结果表明,复合阴极极化电阻(Rp)随SDC复合量的增加呈现先降低后升高的趋势,当复合量为30%(w/w)时,阴极材料的性能最优。在700℃空气气氛下的极化电阻为0.186Ω·cm^2,相对LBM(0.717Ω·cm^2)减少74%。氧分压测试结果表明阴极反应的速率控制步骤为氧分子的吸附-解离过程。以复合阴极构筑的电解质支撑单电池Ni-SDC/SDC/LBM-30%SDC在700℃的最大输出功率密度为234 mW·cm^(-2),连续测试90 h输出功率衰减约4%。