双层干压制备阳极支撑的氧化锆薄膜燃料电池

采用一种既简单又经济的双层干压法,NiO-YSZ阳极基底上制备致密的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)固体电解质薄膜,经1400!共烧结后,得到厚度约60"130mm的YSZ薄膜。薄膜的厚度可以通过调整YSZ粉体质量来控制。测试了NiO-YSZ支撑体材料和YSZ的干压坯体烧结曲线,以确定烧结收缩率。对薄膜进行的X-射线衍射(XRD)测量结果表明,薄膜为YSZ的立方萤石结构,NiO与YSZ在烧结条件下未发生反应。以此方法制备的不同厚度的YSZ薄膜为电解质,NiO-YSZ金属陶瓷为阳极,La0.7Sr0.3MnO(LSM)阴极制成固体氧化物燃料电池(SOFC)单电池,对单电池的放电性能及其在工作条件下的阻抗谱进行了测试。电池的开路电压始终在1V左右,900!最大电流密度达1.3A·cm#2。分别在800!和900!时得到了175mW·cm#2和300mW·cm#2的最大比功率。     

阳极支撑YSZ电解质薄膜的浆料旋涂法制备

用于压-预烧结法制备阳极支撑体,在阳极支撑体上用浆料旋涂-共烧结法制备了氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质薄膜.实验考察了不同淀粉含量和不同预烧结温度对阳极支撑体预烧结效果的影响以及旋涂层数和浆料配比对YSZ电解质膜致密性的影响.结果表明:当阳极支撑体的预烧结温度为1 200℃,阳极支撑体中淀粉含量为15％,电解质的旋涂层数控制在5层或5层以下,旋涂浆料中YSZ的含量为45％时,制备的电解质薄膜致密性较好.对制备样品出现的缺陷进行了原因分析,提出了相应的解决办法.     

离心沉积法制备YSZ薄膜及其性能

用离心沉积方法在NiO-YSZ阳极基底上沉积了氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)薄膜,并在1 400℃烧结达到致密;用SDC的硝酸盐浸渍改进的LSM作为阴极,组装燃料电池。阳极通入干燥的H2作燃料,阴极直接暴露在空气中,单体电池在650℃的开路电压(OCV)为1.059 V,说明薄膜是完全致密的;800℃时的最高功率密度为535 mW/cm2。800℃时的阻抗谱表明,通过改变阳极端的气氛,可以区分出阴、阳极的阻抗。     

阳极支撑固体氧化物燃料电池制备研究

制备了Ni/YS│YSZ│LSM[YSZ——Y2O3掺杂(稳定)的ZrO2;LSM——锰酸镧即La0.85Sr0.15MnO3]阳极支撑单体固体氧化物燃料电池(SOFC)。其中阳极基底、YSZ电解质薄膜和LSM阴极分别采用干压成型方法、浆料喷覆工艺和浆料涂覆法制备。考察了电池制备过程中影响电池品质的主要因素,指出基底不均匀性和焙烧升温速率过快是导致成型压力在25～250MPa范围内阳极基底翘曲和开裂的主要原因;影响阳极基底与YSZ电解质薄膜共焙烧匹配性的主要因素是成型压力、预焙烧温度和焙烧升温速率。应用扫描电子显微镜(SEM)表征了电池微观结构,YSZ电解质薄膜的厚度约为15～20mm。考察了电池电性能,800℃下,阳极H2进气流量为250mL·min-1时,电池开路电压1.0973V,最大比功率0.13W·cm-2。进一步优化电极结构,可制备高性能的阳极支撑SOFC。     

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。     

注浆成型制备阳极支撑型SOFC及其性能

采用传统的注浆成型法制备Ni基复合阳极,然后在阳极上浸渍YSZ薄膜,高温1400℃烧结4h,得到厚度约6μm且无孔致密的YSZ膜,将LSM和YSZ调制成浆料做复合阴极,并对电池的微观结构和相关性能进行测试。电池以加湿氢气为燃料,控制氢气流量为75mL/min,空气作为氧化剂,测量温度在600～850℃,电池最高比功率在850,800,750,700,650℃和600℃时可达0.77,0.54,0.33,0.17,0.09W/cm2和0.04W/cm2。     

阳极对YSZ薄膜SOFC性能的影响

研究了两种阳极对YSZ薄膜固体氧化物燃料电池(SOFC)性能的影响.NiO-YSZ阳极和NiO-SDC-YSZ阳极支撑的YSZ薄膜电池,在800 ℃时的开路电压分别为1.09 V和0.87 V,最大功率密度分别为0.86 W/cm2和0.16 W/cm2.NiO-SDC-YSZ阳极电池的电极总阻抗比NiO-YSZ阳极电池的高出58%.     

溶液燃烧法合成11ScSZ-2Mn_2O_3电解质粉体及其应用

采用硝酸盐-甘氨酸溶液燃烧法合成了(ZrO2)0.87(Sc2O3)0.11(Mn2O3)0.02(11ScSZ-2Mn2O3)粉体,通过X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、场发射扫描电镜(FESEM)及氮气吸附等手段对粉体进行表征。结果表明,所合成的11ScSZ-2Mn2O3粉体具有单一立方结构,比表面积达28.6m2/g,粒度均匀。非等温和等温烧结测试均表明该粉体具有良好的烧结活性,可在1200℃下烧结致密化。以11ScSZ-2Mn2O3粉体为原料配制电解质粉体浆料,采用浸渍-提拉法在NiO-氧化钇稳定氧化锆(YSZ)阳极基体上制备了电解质薄膜,在1250℃下实现了负载型薄膜的烧结致密化,与La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)阴极组装了单元电池Ni-YSZ/11ScSZ-2Mn2O3/LSCF。该单元电池在中温下以H2为燃料表现出良好的电性能输出,在操作温度为650℃和700℃下的最大输出功率密度分别为0.55W/cm2和0.90W/cm2。     

重力沉降法结合共烧结法制备YSZ薄膜

采用重力沉降法和共烧结法相结合,在NiO-YSZ(氧化钇稳定氧化锆)阳极基底上制备YSZ固体电解质薄膜,在1 400℃下共烧结后,得到厚度为20 μm的YSZ薄膜.利用XRD和SEM对薄膜的相结构、形貌等进行表征.以La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.8O3(LSCF)为阴极制成单电池,对其性能及阻抗谱进行测试.在620℃时,得到单电池的最大开路电压为0.98 V;850℃时的电流密度接近1 A/cm2,最大功率密度为180 mW/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。     

微米粉体制备阳极支撑的YSZ薄膜

采用微米级YSZ(摩尔分数8%Y2O3稳定的ZrO2)粉体在NiO/YSZ阳极支撑体上成功地制备了致密的电解质薄膜.对微米级YSZ粉体进行球磨处理,分析和讨论了球磨对YSZ粉体及薄膜性能的影响.用浆料旋涂法制得45μm厚的致密薄膜,电池700 ℃时开路电压(OCV)达到1.13 V.以氢气为燃料,以静态环境空气为氧化气体,单电池在700、750、800 ℃的最大比功率分别为221、364、528 mW/cm2.电池阻抗谱结果表明电池的性能主要由电极决定.     

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。     

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。     

恒流电泳沉积YSZ电解质薄膜的燃料电池研究

采用恒流电泳沉积(EPD)的方法,在NiO-YSZ阳极基底上制备出较为致密的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)固体电解质薄膜,1300℃共烧结5h后得到具有一定厚度的YSZ薄膜。利用SEM对YSZ薄膜的形貌与膜厚进行了表征。在此基础上,以La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF)为阴极制成单电池,并对单电池的性能及阻抗谱进行了测试,在650℃时得到单电池的最大开路电压为0.84V,单电池在750℃时的最大电流密度为0.64A/cm2,最大功率密度达145mW/cm2;800℃时的短路电流密度接近0.9A/cm2,最大功率密度达200mW/cm2。阻抗谱测试结果表明,电解质部分的电阻占电池内阻的1/4~1/3;电极在-电解质界面处存在的孔洞对电池的性能产生了不利的影响。     

两种8YSZ作为SOFC电解质的比较

从粒径分布、电导率、活化能、致密性及制备的模拟电池的放电性能等方面,对8 mol%Y2O3稳定的ZrO2(8YSZ)(TOSOH 8YSZ和JC 8YSZ)作为固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质进行了比较.结果表明:TOSOH 8YSZ的平均粒径比JC 8YSZ小1.20 μm;TOSOH 8YSZ在1 500℃下烧结的活化能比JC 8YSZ低2.68kj/mol,在800℃时的电导率高0.003 2 S/cm.以TOSOH 8YSZ为电解质的模拟电池,在800℃时的最大功率密度比JC 8YSZ为电解质的高45.45%.SEM测试表明,在1 450～1 500℃下烧结制备的TOSOH 8YSZ的电解质膜更致密.     

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。     

SOFC复合孔隙阳极材料的制备及性能研究

使用共流延工艺分别制备了以不同配比可溶性淀粉和碳纤维混合物作为造孔剂的阳极支撑型固体氧化物燃料电池(SOFC),阳极支撑层具有不规则的球型和直线型交错的复合孔隙,造孔剂总质量分数均为10%。电池以(Y₂O₃)_0.08(ZrO₂)_0.92(8YSZ)及Ni作为阳极材料,其中Ni与8YSZ的质量比为1∶1,以8YSZ作为电解质材料,以(La_0.75Sr_0.25)_0.95MnO_3±δ(LSM)及8YSZ作为阴极材料。使用氢气作为燃料测试了各电池在750℃下的电化学性能,结果表明,淀粉与碳纤维质量之比为1.5的复合造孔剂所制备电池的功率密度最高,可达0.199 W/cm²。扫描电子显微镜法(SEM)图像显示,淀粉和碳纤维在阳极支撑层中所形成的复合孔隙相互交织,连通性较好,具有较理想的微观结构。     

浆料旋涂法制备YSZ薄膜燃料电池研究

用浆料旋涂法在NiO-YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)阳极支撑体上制备了一层11.5 μ m厚的致密YSZ薄膜.在薄膜上制备了Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)浸渍的La0.7Sr0.3MnO3(LSM)复合阴极.以氢气为燃料,阴极暴露在静态空气中,单电池在700、750、800 ℃的最大比功率分别为691、898、1 118 mW/cm2.当阴极通入50 mL/min的氧气时,单电池在800 ℃的最大比功率比空气气氛下的性能高出84%,达到2 057 mW/cm2,在中温区达到优异的性能.     

PSZ支撑型SOFC电堆的制备与性能测试

在管状的氧化钇部分稳定的氧化锆(PSZ)支撑体上制备串联型的固体氧化物燃料电池(SIS-SOFCs)。串联的单电池长度为10mm,有效长度为3mm。通过注浆成型法制备管状的支撑体,烧结后使用浸渍法沉积NiO-YSZ阳极和YSZ电解质薄层并且分别进行烧结。烧结完毕,通过涂抹法制备LSM-YSZ和LSM阴极层并且烧结。每个支撑体上有2个串联的单电池。使用加湿氢气作为燃料,空气作为氧化剂对电池进行性能测试。测试过程中,电池的最高总电压达到2.0537V,750℃时达到的最大功率密度为228.68mW/cm2。电化学阻抗谱显示该电池的欧姆电阻较大,而极化损失是影响电池性能的主要因素,因此,改善电池的结构和优化电极材料将进一步提高电池的性能。     

Na2SO4掺杂电解质对硫-氧SOFC性能的影响

以Na2 SO4掺杂8％ Y2O3稳定的ZrO2(8 YSZ)为复合电解质,La0.8 Pr0.2 CrO3、La0.7Sr0.3 MnO3分别为阴、阳极催化剂,组装硫-氧固体氧化物燃料电池(SOFC).使用硫蒸气作为燃料,测试了复合电解质的电化学性能.Na2SO4掺杂8YSZ复合电解质能提高SOFC的电化学性能,其中25％ Na2SO4-8 YSZ的性能更好,在700℃时,具有最大开路电压833 mV;760℃时,达到最大电流密度168 mA/cm2;780℃时,达到最大功率密度127 mW/cm2.