氧化铈基燃料电池高性能阴极研究

研究了用于中低温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的高性能新型阴极材料Ba1.0-xCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ(B1-xCFN,x=0,0.05,0.10)。以氧化钆掺杂氧化铈(GDC)为电解质,制备了B1-xCFN||GDC||B1-xCFN和La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)||GDC||LSCF对称电池,对比了不同组成Ba含量的B1-xCFN和LSCF阴极的电化学性能;并将B1-xCFN和LSCF阴极制备在NiO-GDC||GDC阳极支撑半电池上,研究其在全电池中的性能。结果表明,500℃时,B1-xCFN(x=0,0.05,0.10)的Rp值分别仅为LSCF的10.52%、7.72%和4.33%;650℃时,B1-xCFN(x=0,0.05,0.10)的Rp值分别是LSCF的66.62%、51.49%和42.76%;在500～650℃,以B1-xCFN为阴极的单电池性能也均显著高于以LSCF为阴极的电池性能,B1-xCFN电极表现出了优良的氧催化活性,是极富应用前景的中低温固体氧化物燃料电池阴极材料。

氧化锆复合Bi_2O_3-BaO-SiO_2-R_xO_y玻璃封接材料性能研究

在玻璃中复合脊性骨料是固体氧化物燃料电池(SOFC)封接材料研究热点.实验选定在Bi2O3-BaO-SiO2-RxOy(简记为BiBaSi)玻璃体系中复合10wt%～30wt%的ZrO2颗粒来改善玻璃在高温下的封接性能.结果表明,ZrO2复合BiBaSi玻璃后,复合体系热膨胀系数略有增大;随着ZrO2含量增多,复合封料适宜使用温度逐渐提高,从基体BiBaSi玻璃的720℃到BiBaSi-10Zr、BiBaSi-20Zr、BiBaSi-30Zr的780、860和900℃;氧化锆加入到基体玻璃中,一部分作为脊性骨料存在于玻璃相中,维持了高温封接要求的形状和尺寸;另一部分逐渐进入了玻璃网络中,促进玻璃结晶生成新的物相Bi4Si3O12;两种晶体相共存于玻璃相中,提高了复合体系封接的稳定性.通过改变氧化锆加入量,可以有效调控封接材料相关性能,满足SOFC封接要求.

Li_2O助烧的Gd_(0.1)Ce_(0.9)O_(1.95)烧结过程及其电导性能研究

氧化铈基电解质是中低温固体氧化物燃料电池最常用的材料之一。本研究利用密度泛函理论计算方法阐述了Li2O和Ce O2分子之间的相互作用,计算结果表明Li2O对Ce O2具有助烧作用。在此基础上,在氧化铈基电解质Gd0.1Ce0.9O1.95（GDC）中掺入不同比例（0~5mol%）Li2O,通过烧结曲线测试及扫描电镜分析了其实际烧结过程,并对其电化学性能进行了研究。实验结果表明,添加Li2O后,GDC的烧结开始收缩温度明显向低温偏移,随掺杂量的增加,最大收缩速率的温度也逐渐降低,其中掺入2.5mol%Li2O-GDC在650℃就开始迅速收缩,900℃时相对致密度在99%以上;添加Li2O后,GDC总电导率提高,同时电池开路电压没有降低。因此,Li2O是一种很好的燃料电池氧化铈基电解质的助烧剂,具有很好的应用前景。

轧膜成型法制备SOFC支撑电极工艺研究

结合生产实际介绍了轧膜成型工艺制备电极支撑固体氧化物燃料电池中支撑电极的工艺过程。用此方法制备了厚度为0.8 mm的NiO/YSZ阳极坯片和LSM/YSZ阴极坯片,对所得坯片进行预烧结处理,然后在其上面成型电解质薄层。添加20%(质量分数,下同)起孔剂时电极与YSZ电解质的线性收缩率最接近,共烧结容易得到平整的电极支撑半电池。复合阴极的电导性能随孔隙率的增加而下降。使用该方法制备的电极材料从微观结构、机械性能和电性能上都满足SOFC(Solid Oxide Fuel Cells)对电极材料的要求。

钴掺杂氧化铈纳米粒子电催化性能研究

氧化铈的电子导电性较低、氧空位数量少,难以单独用作为电催化剂。但是掺杂过渡金属或非金属元素可以提高氧化铈的CO催化能力,同时在氧化物中掺杂钴可有效提高材料的电催化能力,因此本工作开展了对钴掺杂的氧化铈电催化性能的研究。采用均相沉淀法制备了钴掺杂的氧化铈纳米粒子,电化学测试发现当钴掺杂比例为20mol%时,氧化铈纳米粒子对氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER)的综合催化能力最强。经过10 h的长时间催化作用,ORR、OER过程中的电流密度分别下降了20%、5%左右,远优于贵金属和未掺杂氧化铈纳米粒子催化剂,显示出良好的催化稳定性。拉曼光谱、阻抗图及XPS谱图等的测试分析表明钴掺杂后材料的电荷转移阻抗降低(电子导电性的提高)、氧活性物种和氧空位增加是氧化铈催化性能提高的主要原因。本工作通过钴掺杂大幅度提高了氧化铈的电催化性能,同时为其它离子导体作为双功能电催化剂的使用提供了借鉴。

直接甲烷SOFC NiCu-CeO_2阳极的制备与性能

将Ni Cu-Ce O2作为抗积碳阳极材料,应用于阳极支撑型直接甲烷固体氧化物燃料电池(SOFC)中。采用浸渍工艺在多孔Ce O2阳极基体中制备Ni Cu阳极催化剂,还原后氧化物基体与金属的质量比为60∶40。在700℃湿H2和湿CH4气氛中考察了电池的电化学性能。Ni Cu-Ce O2|GDC|BCFN电池在H2和CH4中的开路电压(OCV)分别为0.772和0.785 V,最大功率密度(MPD)分别为96和80 m W/cm2。在0.6 V进行恒压稳定性测试20 h后,电流密度下降了1.7%。通过对测试后的电池进行电子扫描电镜(SEM)和能量散射光谱(EDS)分析,发现有少量积碳产生。而Ni-Ce O2|GDC|BCFN电池在同样条件下的性能仅为:OCV(H2)=0.77 V,OCV(CH4)=0.80 V,MPD(H2)=116 m W/cm2,MPD(CH4)=59 m W/cm2,电池在40 min内电流密度下降了74%。结果表明在阳极中添加Cu不仅能够实现与Ni基阳极相当的阳极性能,而且可以有效提高Ni基阳极的抗积碳稳定性。

高温电解水用锰酸锶镧基氧电极的稳定性

用丝网印刷工艺制备锰酸锶镧基氧电极用于高温固体氧化物电解池(SOEC),结合电解池的电流密度(J)-电压(U)曲线和电化学阻抗谱,考察温度和水蒸气含量对SOEC性能的影响。在800℃和电流密度0.25 A/cm2的条件下测试高温电解水的稳定性。30 h后,SOEC的衰减率为6.2%。测试后的电池微观结构表明:氧电极与电解质分层,导致SOEC性能衰减。

添加Li_2O对YSZ电解质性能影响

8%(摩尔分数,下同)Y2O3稳定的ZrO2(8YSZ)是固体氧化物燃料电池(SOFC)中最常用的电解质材料,本文研究了在8YSZ基体中加入n%Li2O(n=0,0.25,0.50,1.00,1.50,1.70,2.00,2.50,3.00)后(记为n%Li2OYSZ)对其晶相结构、晶格常数、烧结性能、微观形貌、电导率及其作为SOFC电解质性能的影响。结果表明,Li2O中的Li+可以固溶到YSZ的晶格内使其晶格常数减小;Li2O的加入量n<1.70时,瓷体在烧结过程中不会发生相变。加入少量的Li2O(n=0.25,0.50)可以提高YSZ的致密度和电导率,0.25%Li2OYSZ和0.50%Li2OYSZ样品800℃的电导率分别高达0.030 2 S/cm和0.027 6 S/cm,分别是纯YSZ的1.35和1.24倍;当Li2O含量n≥1.00时,相同条件下烧结体致密度随Li2O加入量的增大而逐渐减小;当n≥1.70时,样品在烧结过程中虽然出现相变,但在高于1400℃可以烧结致密,并得到纯立方相YSZ。将1250℃烧结制得的0.25%Li2OYSZ和0.50%Li2OYSZ作为SOFC电解质的单电池,800℃时的开路电压高于1.0V,说明YSZ中没有出现电子电导,具有比纯YSZ为电解质的单电池更高的性能输出,表现出了良好的应用前景。