Ni/YSZ阳极材料的制备及性能研究

Ni/YSZ金属陶瓷是固体氧化物燃料电池(SOFC)目前广泛使用的阳极材料。对采用机械混合法制备的Ni/YSZ金属陶瓷的显微结构和电性能进行了研究,试样分别在1300℃、1325℃、1350℃、1375℃和1400℃烧结2h,然后在800℃、H2气氛下还原4h。测试了在不同烧结温度下生成的NiO/YSZ复合材料和Ni/YSZ金属陶瓷的密度,并计算了其相对密度。通过X射线衍射(XRD)法分析了不同试样的相组成。通过扫描电子显微镜(SEM)法和光学显微镜,观察了其微观结构,发现氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)形成了连续的网络结构,Ni颗粒均匀地分布在网络结构中,这有助于电导率的提高。用四端子法进行了电导率测试,确定了理想的烧结温度为1400℃。实验结果表明,1400℃烧结试样在800℃、H2气氛下还原4h,气孔率达到25%。在600～800℃之间,其电导率高达103.3S/cm。说明Ni/YSZ金属陶瓷适合作中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阳极材料。     

天然气燃料电池中双层阳极Ni-SDC的性能

采用干压方法制备双层阳极支撑的以BCY20(BaCe0.8Y0.2O3-δ)为电解质的固体氧化物燃料电池.双层阳极的质量分数分别为60% NiO 40% SDC(Ce0.7Sm0.2O2-δ)和30% NiO 70% SDC.阴极采用质量分数分别为85% LSCF(La0.9Sr0.1Co0.2Fe0.8O3-δ) 15% GDC(Ce0.8Gd0.2O2-δ)复合阴极.在400～600 ℃的范围内,用天然气为燃料气,氧气为氧化气,50℃为间隔,测试并比较了该电池与单层阳极支撑电池(阳极质量分数为50% NiO 50% SDC、阴极为85%LSCF 15% GDC复合阴极、电解质为BCY20)的性能.用扫描电镜(SEM)分别分析单电池阳极、阴极及电解质的型貌.实验表明:电池具有良好的微结构,在测试条件下双层阳极支撑电池具有更优的性能.600 ℃测得电池最大比功率为55 mW/cm2,电流密度为253 mA/cm2.     

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。     

沉淀法合成NiO及NiO-YSZ阳极性能

用硝酸盐-氨水沉淀法合成了NiO纳米粉体,X-射线粉末衍射结果表明样品为面心立方结构,颗粒的平均粒径为23nm。以此纳米NiO为原料,制备NiO-YSZ阳极,阳极的高温烧结收缩比YSZ电解质小6%。高温H2还原电阻测量表明该阳极在700℃时10min完成还原,电导率为570S/cm。在NiO-YSZ阳极上用离心沉积方法制备了一层厚12μmYSZ薄膜,扫描电子显微镜测试结果表明阳极和电解质薄膜之间的接触良好。采用Sm0.2Ce0.8O1.9浸渍的La0.7Sr0.3MnO3阴极,单电池在750℃时的最大比功率为0.52W/cm2,测试结果还表明该阳极具有合理的孔隙率:说明采用硝酸盐-氨水沉淀法合成的NiO可以应用于制备固体氧化物燃料电池的阳极。     

共沉淀剂和凝胶配体对湿法合成Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.90)性能的影响

分别采用碳酸铵、碳酸钠和草酸铵为共沉淀剂,EDTA-柠檬酸和酒石酸为凝胶配体合成氧化铈基电解质Ce0.8Sm0.2O1.90(SDC)。通过X射线衍射光谱法、透射电子显微镜法、扫描电子显微镜法和交流阻抗法表征了粉体的晶相、粒径、形貌、烧结性和电导率。结果表明,碳酸铵、草酸铵和EDTA-柠檬酸分别为沉淀剂和配体时SDC烧结致密;共沉淀法制备的SDC具有较高的晶界电导率,而EDTA-柠檬酸配体使SDC具有较高的本体电导率,EDTA-柠檬酸和碳酸铵分别为配体和沉淀剂时,SDC的总电导率最高,600℃时分别达到0.018和0.015 S/cm,并讨论了影响的原因。     

复合阳极NiO-SDC+LSGM的性能研究

采用共压-共烧结法分别制备了以50%(质量分数)NiO-(50-x)%(质量分数)Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC) x%(质量分数)La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-a(LSGM)(x=0、10、20、30、40)为阳极支撑,LSGM为电解质、La0.9Sr0.1Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF) Ce0.8Gd0.2O2-δ(GDC)为复合阴极的单电池片;用扫描电子显微镜(SEM)观察了电池片的微观结构;用X射线衍射(XRD)法分析了阳极材料于1250℃条件下烧结4h后的晶相结构;在350～600℃之间,以50℃为间隔,以干天然气为燃料气、氧气为氧化气测试了其电化学性能。结果表明:单电池阳极材料具有良好的孔道结构;在测试条件下,五种不同阳极组成的单电池中50%(质量分数)NiO-30%(质量分数)SDC 20%(质量分数)LSGM阳极支撑的单电池具有最佳的电化学性能,对天然气有更好的催化效果,在常压和600℃条件下其最大电流密度为229.32mA/cm2,最大比功率为45.86mW/cm2。     

柠檬酸盐法制备的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3 夹层对阴极性能的影响

考察了在Sm0.5Sr0.5CoO3(SSC)-La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3(LSGMC5)/LSGMC5界面中加入柠檬酸盐法合成的LSGMC5夹层对界面的影响。考察了含不同温度焙烧的LSGMC5夹层的SSC-LSGMC5/LSGMC5/LSGMC5组合的微观结构及电化学性能。当夹层焙烧温度高于1 623 K时,夹层与电极的结合优于无夹层的电极/电解质界面,具有大的两相界面面积及三相界面长度。制备的组合的氧还原性能依赖于夹层以及电极的焙烧温度,含有1 673 K烧结夹层、1 123 K焙烧电极的样品具有最高的活性。与含固相法制备的LSGMC5夹层的样品相比,采用含柠檬酸盐法制备的夹层的组合具有更小的欧姆电阻及更高的氧还原活性。     

Ni-SDC金属陶瓷阳极研究

采用模压成型工艺制备固体氧化物燃料电池用Ni-SDC(Sm掺杂CeO2)多孔金属陶瓷阳极.研究了烧结温度对阳极孔隙度的影响.用TG/DSC热分析仪测试了样品H2在还原气氛下的TG/DSC曲线.利用SEM对不同温度烧结的阳极和不同Ni含量阳极的显微结构进行了分析.研究表明:1 200℃烧结的阳极还原后具有较好的微观结构,且孔分布均匀,SDC颗粒均匀分布在金属Ni颗粒的表面.     

SmxGd0.2-xCe0.8O1.9电解质材料的制备及性能研究

固体氧化物燃料电池是一种高效洁净的新型电化学能源,具有很大的开发潜力.采用溶胶-凝胶法制备了SmxGd0.2-xGe0.8O1.9(SDC)电解质,通过改变Sm与Gd的配比来研究不同组成SDC的电导率,目的是从中找出电导率较大的一组并对其进行性能研究,测试结果表明在800℃下 x=0.14的一组有最高电导率,其电导率值...     

注浆成型法制备阳极支撑锥管状SOFC

采用简单经济的传统陶瓷制备工艺——注浆成型法制备锥管状阳极基底。将该基底在1000℃烧结4h后采用浆料喷涂法在其上制备致密的YSZ电解质膜,在1400℃下烧结4h。采用涂覆法制备锰酸锶镧(LSM)阴极,并组装成固体氧化物燃料电池(SOFC)单体。将该电池在氢气燃料(流量为100mL/min)和空气氧化剂的条件下测试。测得的最高电池开路电压为1.072V。850℃时最大比功率达到670mW/cm2,此时电池的总面积比电阻为1ΩW.cm2,欧姆面积比电阻仅为0.2ΩW.cm2。扫描电镜结果显示通过注浆成型法制备的阳极基底呈多孔状态,非常适合固体氧化物燃料电池对阳极的要求。     

改进埋烧法制备La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3电解质及其性能

采用改进埋烧法制备出高致密度和优异中温离子导电性能的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3(LSGM)固体电解质。用X射线衍射、扫描电镜分析样品的物相和表面形貌,采用阿基米德排水法进行试样的密度测试,用交流阻抗技术研究样品的电性能。研究结果表明:在1 400 ℃以上烧结形成单一稳定的钙钛矿结构。随着烧结温度的提高和保温时间的延长,样品致密度增大,导电性能提高,在1 470 ℃烧结18 h的样品均达到最佳值,其相对密度为98%,在800 ℃时电导率达到0.11 S·cm-1。该体系电导率与温度的关系分区符合Arrhenius定律。     

类钙钛矿复合氧化物La_(2-x)Sr_xNiO_4的合成及电学性能

采用柠檬酸硝酸盐燃烧法合成了La2-xSrxNiO4(LSN)阴极材料,并系统地研究了LSN的热膨胀性能、电子电导率,并考察了基于Ce1.8Sm0.2O1.9(SDC)电解质的LSN电极极化性能.结果表明,自燃烧产物经1 000℃煅烧2 h形成了单一的K2NiF4结构,25～800℃范围内,LSN材料的热膨胀系数在13.7×10-6～14.3×10-6K-1. La1.4Sr0.6NiO4电子电导率最高,为151.5～155.7 S/cm(600～800 ℃).极化测试结果显示,未掺杂的LSN具有最小的极化电阻(0.48Ω·cm2,800℃),电流密度为0.3 A/cm2时,过电位约为0.083 V.     

YSZ-Al2O3电解质膜管制备及其应用

以吡啶为分散剂,采用真空注浆法制备出膜厚为0．2 mm、长度为35 mm的致密YSZ-Al2O3电解质膜管,研究了烧结温度对样品致密度和离子电导率的影响,确定了获得电解质膜管综合性能的最佳烧结温度范围。用1 650 ℃烧结2 h制备的致密YSZ-Al2O3电解质膜管组装成固体氧化物燃料电池,以氢气为燃料,研究了电池在600～850 ℃电池的电性能。实验结果表明,真空注浆法可制备出具有高密度和高电导率的YSZ-Al2O3电解质膜管,经1 600 ℃烧结2 h其相对密度已达理论密度的99．0％,接近理论密度。单电池的开路电压最大值为1．164 V,850 ℃时输出功率为0．42 W。     

中温固体氧化物燃料电池新体系材料研制

采用固相法合成电解质材料La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ(LSGM)和阳极材料La1-xSrxCr1-yMnyO3-δ(LSCM),用溶胶-凝胶法合成阴极材料La1-xSrxFe1-yCoyO3-δ(LSFC).利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、交流阻抗、直流四探针法等技术,对材料的结构及性能进行表征.在1 450 ℃和1 480 ℃下烧结24 h均得到了单一相的LSGM;在1 250 ℃和1 350 ℃下烧结15 h均得到了单一相的LSCM,LSCM在850 ℃时的总电导率为1.5 S/cm;LSGM的阻抗图谱由两个半圆组成,显示出良好的离子电导特性;合成LSFC的胶体经过400 ℃和750 ℃焙烧后,形成了单一相的LSFC;用丝网印刷方式,制备LSCM/LSGM/LSFC(LSCM)三合一复合膜,电极膜的烧结温度为1 150 ℃,以此复合膜为基础组装单电池并进行性能考察.     

甘氨酸-硝酸盐法制备Sm掺杂CeO2电解质及性能研究

甘氨酸-硝酸盐燃烧法合成Sm掺杂CeO2(SDC)电解质材料,通过XRD和扫描电子显微镜对不同甘氨酸与金属阳离子比例(G/N)制备粉末的结构和形貌进行了研究。比表面积测量结果显示,不同G/N比影响合成粉末的比表面积,导致粉末的烧结性能不同。G/N比为2合成的粉末在1300℃烧结2h可以达到97%的理论密度。合成不同含量Sm掺杂铈基氧化物SmxCe1-xOδ(x=0.125,0.15,0.175,0.20,0.225,)电解质材料,制备电解质支撑的单电池,电解质厚度为1mm,采用泥浆喷涂工艺在电解质上制备60%(质量百分数)NiO-SDC阳极层,在1300℃共烧结2h,Ag浆作为阴极组成单电池,以H2和空气为燃料和氧化气体电池性能测试显示,Sm0.175Ce0.825Od为电解质的单电池性能最好,800℃最大功率密度达283mW/cm2。     

Y掺杂SrTiO3阳极催化剂材料性能研究

直接对碳氢化合物燃料进行电化学氧化是目前固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展方向,寻求新的阳极催化剂材料是其发展的关键。采用固相法合成了Y掺杂的钛酸锶Sr1-1.5xYxTiO(3x=0.06,0.08,0.1)钙钛矿复合体系氧化物,对合成产物的结构、烧结性、高温电导率进行了测定,研究了不同烧结温度对阳极催化剂材料电导率的影响,并通过微观结构的研究,探讨了不同烧结温度对电导率的影响机理。研究表明,最佳烧结温度为1400℃,从400℃到1000℃电导率呈现单调降低趋势;当x=0.08时电导率最高,在800℃时达到26S·cm-1。     

低温SOFC用阴极材料LaNi0.6Fe0.4O3

用固体氧化物燃料电池技术,考察了钙钛矿型氧化物LaNi0.6Fe0.4O3(LNF-64)作为阴极材料在低温(400℃、500℃)下的电化学性能,以复合材料[Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)和碳酸盐(Na2CO3和Li2CO3)]为电解质,分别以NiO和LNF-64为阳极和阴极.结果表明,通过碳酸盐共沉淀法得到的LNF-64前驱体粉末,在900℃下煅烧4 h,形成了单一的菱形结构,粉末粒径约为300～500 nm.单体电池在500 ℃下的最大功率密度和短路电流密度分别为213 mW/cm2和720 mA/cm2.     

La掺杂SrTiO3阳极材料性能研究

以碳氢化合物为燃料直接电化学氧化是目前固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展方向,寻求新的阳极材料是其发展的关键。采用固相法合成了La掺杂的钛酸锶Sr1-1.5xLaxTiO3(x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)钙钛矿复合体系氧化物,对合成产物的结构、烧结性能、高温电导性能进行了测定,研究了不同La掺杂量对阳极材料电导率的影响,通过X射线衍射(XRD)分析研究了掺杂钛酸锶阳极材料与YSZ电解质的相容性。研究结果表明,从600～800℃,Sr1-1.5xLaxTiO3电导率随温度的升高呈现单调降低趋势,当x=0.3时电导率最高,在800℃时达到103.5S/cm,在1400℃下和YSZ电解质有良好的化学相容性。     

Ce_(0.9)La_(0.1)O_(2-δ)电解质粉末的制备与性能

用溶胶-凝胶法制备了La掺杂的CeO2(Ce0.9La0.1O2-δ)的前驱体.在900℃下煅烧2 h制备的Ce0.9La0.1O2-δ粉末为单一的立方萤石结构,晶胞参数a为0.549 65 nm;该粉末在200 MPa下压制后在1400℃下烧结3 h得到的电解质,相对密度为95.1%,在690℃时的电导率为0.66 S/cm.     

新型低温SOFC阴极材料LaNi0.8Cu0.2O3

采用碳酸共沉淀法得到了一种新型阴极材料LaNi0.8Cu0.2O3(LNC-82),对其进行了X射线衍射和扫描电镜的表征,并采用复合材料[Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)和碳酸盐(Na2CO3 Li2CO3)]为电解质,分别以NiO和LNC-82为阳极和阴极材料,考察了在低温(400～550℃)下这种钙钛矿型阴极材料的电化学性能。实验结果表明,运用碳酸共沉淀法得到了LNC-82前驱体粉末,经过860℃煅烧2h,得到了粒度均匀的粉末,其粒径约为400～500nm。单体电池在550℃下的最大比功率和短路电流分别为390.6mW/cm2和1140.6mA/cm2。