Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ-Ce0.9Gd0.1O2-δ中低温固体氧化物燃料电池复相阴极的研究

采用溶胶-凝胶法制备Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(BSCF)粉体后, 使用Ce_0.9Gd_0.1O_2-δ(GDC)溶胶包裹BSCF粉的方法制备疏松多孔的BSCF-xGDC(x=30wt%, 40wt%, 50wt%)复相阴极。通过X射线衍射仪、场发射扫描电镜和透射电镜对复相阴极的物相组成、单电池断面形貌及GDC对BSCF颗粒的包裹形貌进行表征。利用阻抗谱测试研究了复相阴极材料的电化学性能, 讨论了掺入GDC量对阴极性能的影响。结果表明：通过GDC溶胶包裹BSCF粉体的制备方法改善了阴极的电化学性能, 在同一温度下, BSCF-40GDC阴极的极化电阻最小, 在650℃时阴极极化阻抗约为0.397 Ω•cm²; 以BSCF-40GDC为阴极制备的单电池, 以H₂+3%H₂O为燃料气、空气为氧化气体, 650℃下电池的最大功率密度为0.514 W/cm², 欧姆电阻为0.257 Ω•cm², 两极极化电阻为0.0588 Ω•cm²。     

基于交替浸渍法对La0.65Sr0.35MnO3氧电极的性能优化

氢能以其高效、清洁、可再生的优点成为化石能源的有效替代者,而可逆固体氧化物电池(RSOC)既可利用氢气输出电能,也可电解H₂O产生氢气,对其研究具有十分重要的意义。本文对RSOC的氧电极进行了研究,在La_0.65Sr_0.35MnO₃(LSM)氧电极的基础上,采用溶液交替浸渍法将Sm_0.2Ce_0.8O_1.9(SDC)和Sm_0.5Sr_0.5CoO_3-δ(SSC)纳米粒子引入LSM氧电极中。800℃时,交替浸渍1次的LSM-SDC-SSC1氧电极的极化电阻为0.49Ω·cm²,是纯LSM电极(1.12Ω·cm²)的43%。SDC和SSC的浸渍顺序对电极形貌和性能的影响随着浸渍次数的增加逐渐减弱,交替浸渍2次的LSM-SDC-SSC2氧电极具有最低的极化过电位和极化电阻。800℃时,Ni-(Y₂O₃     

Ni浸渍的LST-SSZ复合阳极及其直接甲烷固体氧化物燃料电池研究

La_0.2Sr_0.8TiO₃ (LST) 对于直接甲烷为燃料的固体氧化物燃料电池而言是一种具有潜力的阳极材料。本研究采用传统的固相反应法合成了LST粉体, 按照质量比5: 5混合LST和Sc_0.1Zr_0.9O₂(SSZ)粉体, 以此复合阳极材料制备对称电池并测试其极化阻抗。在氢气气氛中700、750和800℃时阳极极化阻抗分别为5.3、3.0以及2.0 ?·cm²。鉴于LST的电导率较低, 我们通过浸渍工艺加入10wt%的Ni来提高复合阳极的电导率和催化活性, 复合阳极测得的极化阻抗明显减小。以10wt%Ni-LST-SSZ作为阳极材料制备出的阴极支撑型单电池, 其在氢气和甲烷中的最大功率密度分别可达到225 mW/cm²和175 mW/cm², 并且在甲烷燃料中放电时表现出了较好的稳定性。     

全对称构型金属支撑固体氧化物燃料电池

与传统的全陶瓷结构的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)相比, 金属支撑固体氧化物燃料电池(MS-SOFCs)具有材料成本低, 结构稳定性高, 抗热震性高等优点。为了促进SOFC的商业化, 采用流延-烧结-浸渗工艺制备了Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ(SDC)-430L阳极/Zr_0.88Sc_0.22Ce_0.01O_2.12(SSZ)电解质/SDC-430L阴极构型的全对称结构金属支撑固体氧化物燃料电池(MS-SOFC)。电池以湿氢气为燃料、空气为氧化气, 在600、650和700℃时的最大功率密度为220、250和280 mW/cm²。电化学阻抗谱的测试表明, 电池的性能由SDC-430L电极的极化阻抗所主导, 在700、650和600℃时, 电池欧姆阻抗分别为0.16、0.21和0.29 Ω•cm², 极化阻抗分别为0.67、0.90 和1.22 Ω•cm²。与阳极相比, 阴极的极化阻抗更为显著。对称SDC-430L电池在3%H₂O-97%H₂和空气气氛中测得的极化阻抗分别为0.23和1.92 Ω•cm² (650℃)。进一步优化电池结构(例如采用更加精细的430L骨架)和催化材料(例如含有Ag、Pt的复合材料)将有助于提升该MS-SOFC的电化学性能。     

中温固体氧化物燃料电池Nd2NiO4+δ-Ce0.8Gd0.2O2-δ复合阴极性能研究

研究了Nd₂NiO_4+δ (NNO)-Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ (CGO)复合化合物在中温固体氧化物燃料电池的性能, 包括NNO-CGO复合阴极的烧结温度以及复合比例。采用流延法、丝网印刷法和高温烧结法相结合制备了尺寸为50 mm × 50 mm的平板式NiO-YSZ阳极支撑SOFC。单电池是由NiO-YSZ阳极支撑层、NiO-YSZ阳极功能层、YSZ电解质层, CGO阻挡层, NNO-CGO复合阴极层以及La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ (LSC)集流层共同组成。研究结果表明, 当70NNO-30CGO复合阴极烧结温度为1000℃, 单电池在800℃展现出最大功率密度385 mW/cm² (0.7 V), 欧姆阻抗、极化阻抗和面积比电阻分别为0.31、0.266和0.576 Ω·cm²。电化学阻抗分析结果表明, 电荷转移阻抗是电池极化阻抗的主要来源。测试后电池截面的SEM观察结果显示电池各层之间均展现出良好的烧结结合。同时, 与前期研究结果比较可以发现, 具有相同复合阴极层的电池增加CGO阻挡层后功率密度下降, 欧姆阻抗增加, 但极化阻抗却降低。     

基于Pr0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ对称固体氧化物燃料电池的性能优化研究

采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法分别合成了Pr_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(PSCF)和Gd_0.2Ce_0.8O_2-δ(GDC)粉体, 高温固相法合成La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ(LSGM)电解质粉体。以LSGM为电解质, PSCF同时作为阴极和阳极, GDC作为功能层材料, 构建了对称固体氧化物燃料电池PSCF│GDC│LSGM│GDC│PSCF。利用X射线衍射法研究材料的成相以及相互间的化学稳定性, 交流阻抗法记录界面极化行为, 用扫描电子显微镜观察电池的断面微结构, 用自组装的测试系统评价电池输出性能。结果表明, 合成的PSCF粉体呈立方钙钛矿结构, 具有良好的氧化-还原可逆性。使用GDC功能层明显改善了氢气环境下PSCF与LSGM材料间的化学相容性以及电池的输出性能, 800℃时, 电极│电解质界面极化电阻从6.892 Ω·cm²下降到0.314 Ω·cm²; 以加湿H₂(含体积分数3%的水蒸气)为燃料气, 空气为氧化气时, 单电池输出功率密度由269 mW/cm²增大至463 mW/cm²。研究结果显示, PSCF是对称固体氧化物燃料电池良好的候选电极材料, GDC功能层对改善电池长期稳定性能具有潜在的应用价值。     

电解质表面微结构对固体氧化物燃料电池的阴极极化电阻的影响

在固体氧化物燃料电池(SOFC)中, 电解质对阴极界面极化电阻(R_c)有着显著影响。通过测量以Sm_0.2Ce_0.8O_2-δ (SDC)为电解质、(La_0.85Sr_0.15)_0.9MnO_3-δ(LSM)和La_0.6Sr_0.4Fe_0.8Co_0.2O_3-δ(LSCF)为阴极的对称电池的交流阻抗谱, 研究SDC电解质表面微结构(晶粒大小和晶界长度)对R_c的影响。通过改变烧结温度和时间, 制备出具有不同晶粒尺寸和晶界密度的电解质。通过SEM得到微结构参数, 建立R_c与这些参数的联系。结果发现, 随着晶粒尺寸的减小、晶界密度的增加, R_c明显降低。此外, 对于LSM电极, 晶界密度的增加, 促进了阴极反应的氧离子传导。     

固体氧化物燃料电池阳极的相转化流延制备和电化学性能研究

采用相转化流延一步制备了NiO-Zr_0.84Y_0.16O_2-δ (YSZ)阳极支撑层和功能层, 前者厚度为~700 μm, 含有沿厚度方向定向排列的开放直孔, 后者厚度为~60 μm。采用浆料涂膜法和高温共烧在阳极上制备厚度为15 μm的YSZ电解质薄膜, 丝网印刷制备YSZ-La_0.84Sr_0.16MnO_3-δ (LSM)(质量比50:50)阴极。所制备的单电池显示出较高的电输出性能。以H₂-3%H₂O为燃料和环境空气为氧化剂, 800 ℃时电池的峰功率密度达到891 mW/cm², 电池即使在高电流密度测试条件下也未出现明显的浓差极化, 这是由于其阳极具有开放直孔结构, 气相输运阻力小。     

含稀土氧化物难熔盐浸渍W基直热式阴极研究

为了提高磁控管阴极的工作性能, 采用新型La₂O₃/Y₂O₃-Gd₂O₃-ZrO₂难熔盐浸渍W基制备直热式阴极, 并对该阴极的热发射特性和寿命特性等进行了测试。热发射测试结果表明, La₂O₃-Gd₂O₃-ZrO₂浸渍阴极在1600℃可提供超过0.18 A/cm²的空间电荷限制区电流密度。在同等发射电流下, 该浸渍阴极的工作温度比纯W阴极降低至少300℃, 该阴极在1750℃, 0.5 A/cm²直流负载下, 可以连续工作2100 h。当以Y₂O₃代替La₂O₃, 采用相同的配比制备阴极时, 1400℃、1700℃下即可分别提供超过0.6、3.4 A/cm²的空间电荷限制区电流密度。Y₂O₃-Gd₂O₃-ZrO₂浸渍阴极的工作温度比La₂O₃-Gd₂O₃-ZrO₂浸渍阴极降低至少400℃, 该阴极在1600℃, 1.5 A/cm²直流负载下, 可以连续工作2600 h。最后, 对这两种新型含稀土氧化物难熔盐浸渍阴极的热发射机理进行了探讨。     

纳米结构LSCF-SDC复合阴极的制备及其氧还原机理研究

利用浸渍法制备了La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(LSCF)/Ce_0.8Sm_0.2O_1.9(SDC)纳米复合阴极, 利用XRD、SEM对阴极的相组成及微观结构进行了分析。LSCF前驱体在800℃煅烧4 h后获得平均颗粒尺寸为50 nm的纯LSCF相。测试了在不同LSCF浸渍量及氧分压条件下阴极的阻抗谱, 研究了O₂在LSCF/SDC复合阴极的还原机制及LSCF的浸渍量对复合阴极性能的影响。研究结果表明, 在浸渍法制备的LSCF/SDC纳米复合阴极中, O₂在阴极的还原反应涉及到O₂在阴极表面的吸附与解离、O^2-在阴极体内的传输及O^2-在电极与电解质的界面之间的传输三个子过程, 其中O^2-在阴极体内的传输为O₂的还原反应的速率控制步骤。改变LSCF在阴极的浸渍量并没有改变O^2-在复合阴极的反应机制, 阴极极化电阻随LSCF浸渍量的增加先减小再增大, 浸渍相的体积分数为16.5%时, 阴极极化电阻最小。     

SDC中间层的阳极支撑型LSGM电解质膜SOFC的制备及性能研究

采用离心沉降法及高温共烧结工艺在多孔NiO-Sm_0.2Ce_0.8O_1.9(SDC)阳极上成功地制备了SDC/LSGM (La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ)/SDC电解质薄膜. 经共烧结制备了11μmSDC/15μmLSGM/13μmSDC三层复合电解质薄膜. 电池在800℃最大输出功率密度为0.92W/cm², 但电池的开路电压0.89V低于理论电动势. 电池微结构和元素分析表明, 高温共烧结时Ni扩散到LSGM电解质薄膜中引起电子电导, 导致电池开路电压偏低. 阻抗谱测试表明, 引入SDC电解质作为隔离层后, 欧姆极化过程和电极极化过程共同影响电池的性能     

Gd0.2Ce0.8O2包覆LaNi0.6Fe0.4O3-δ阴极材料抗铬污染性能

应用丝网印刷和共烧结制备LaNi_0.6Fe_0.4O_3-δ (LNF)/Sc_0.1Zr_0.9O_1.95(ScSZ)/LaNi_0.6Fe_0.4O_3-δ 对称电池.以硝酸铈和硝酸钆为原料、柠檬酸为燃料,采用燃烧法制备质量分数为21.3%的Gd_0.2Ce_0.8O₂(GDC)包覆的LNF阴极.电化学阻抗谱(EIS)表明:在750 ℃工作温度下,当无Cr基合金接触时,质量分数21.3%的GDC包覆的LNF经过1 200 h的搁置,其极化电阻由0.13 Ω·cm²增加至0.40 Ω·cm²,而纯LNF经过500 h的搁置,极化电阻由0.70 Ω·cm²增加至2.36 Ω·cm²,GDC的包覆加速了气体/阴极/电解质三相界面反应区的扩散过程,降低了阴极极化电阻;当有Cr基合金接触时,相对于质量分数为21.3%的GDC包覆的LNF阴极,LNF/ScSZ界面处沉积出大量Cr₂O₃,减缓了活性粒子在三相界面处的扩散,故其极化电阻远大于相同条件下质量分数为21.3%的GDC包覆的LNF阴极的极化电阻,质量分数为21.3%的GDC包覆的LNF阴极具有较佳的抗铬污染性能.     

Ni/YSZ阳极浸渍La2O3对SOFC电池抗积碳的影响

以水系流延法制备阳极支撑型平板式IT-SOFC的阳极/电解质(Ni-YSZ/YSZ)半电池, 通过浸渍La₂O₃颗粒对半电池阳极进行改性, LSM+8YSZ为阴极制备单电池。采用扫描电子显微镜(SEM)观察单电池显微结构; 利用能谱(EDS)测试阳极成分; 单电池以乙醇水蒸气为燃料, 在750℃下利用循环伏安法测试单电池的功率密度, 交流阻抗法测试单电池的阻抗。结果表明: 单电池Ni/YSZ阳极孔洞中浸渍的La₂O₃颗粒约90 nm; 浸渍改性的电池比未浸渍的电池具有更稳定的电性能, 随着La₂O₃浸渍量越来越多, 电池的电性能和稳定性越来越好, 抗积碳能力越来越强。当浸渍量为2.4wt%时, 以乙醇水蒸气为燃料在750℃下运行7 h后, 电池衰减率仅为0.09%/h。     

新型SOFC阳极材料La0.75Sr0.25Mn0.5Cr0.5-xCuxO3-δ的合成与表征

合成了新型固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极材料La_0.75Sr_0.25Mn_0.5Cr_0.5-xCu_xO_3-δ (LSMCr_0.5-xCu_x, x=0、0.05、0.10、0.20)。通过X射线衍射(XRD)表征其物相结构和与电解质的化学相容性, 通过透射电子显微镜(TEM)表征其微观形貌。用直流四探针法测试了材料的电导率; 交流阻抗法表征了材料的阳极阻抗特性。结果表明: LSMCr_0.5-xCu_x材料均为菱方钙钛矿晶相, Cu的掺入导致晶胞体积和粉体粒径增大。x≤0.10时, 阳极粉体与YSZ在1200℃烧结3 h无第三相生成, 具有良好的化学相容性。LSMCr_0.5-xCu_x 在空气和5%H₂-Ar气氛下的电导率均随x的增加而增大; 在湿润的5%H₂-Ar气氛下的阳极极化面电阻(ASR)均低于未掺杂的LSCM, x =0.05时ASR最低, 900℃时仅有0.38 Ω·cm²。     

燃料对甘氨酸-硝酸盐法合成Gd0.8Sr0.2CoO3-δ阴极材料的影响

采用甘氨酸-硝酸盐法(GNP)制备Gd_0.8Sr_0.2CoO_3-δ (GSC)纳米粉体。通过元素化学计量、热力学计算及XRD、SEM、交流阻抗谱等测试手段, 研究了甘氨酸与金属离子摩尔比(G/M=1.5、2.0、2.5、3.0、3.5)以及煅烧温度等制备参数对GSC粉料合成反应及电极性能的影响。实验测得凝胶自燃烧时火焰温度在850~1150℃之间, 其中G/M=2.5时火焰温度最高, 燃烧最完全, 与理想化学计量(φ=1)的计算结果相一致, 由此制得的粉料呈蓬松泡沫状, 粒径细小。交流阻抗谱测试结果表明: 1100℃煅烧制得的GSC-2.5阴极与Sm_0.2Ce_0.8O_1.9 (SDC)电解质间的界面电阻(ASR)最小, 仅0.119 Ω·cm²。Gd_0.8Sr_0.2CoO_3-δ电极电导率在500~800℃测试范围内均大于100 S/cm, 满足IT-SOFC阴极材料的要求。