美国固体氧化物燃料电池研究获两项重大进展

<正>据海外媒体报道,美国哈佛大学的科学家最近报告了其在固体氧化物燃料电池(SOFCs)领域取得的两项进展:一是电池中不再使用铂材料;二是将电池的运行温度降至300~500℃之间。研究人员表示,基于SOFCs在更低的操作温度、更丰富的燃料来源以及更便宜的材料方面取得的进步,SOFCs可能很快成     

La0.85Sr0.15Cr0.9Ni0.1O3-δCe0.8Sm0.2O1.9作为SOFC阳极材料的研究

较低的催化活性大大地限制了La0．85Sr0．15Cr0．9Ni0．1O3-δ-（LSCN）作为直接碳氢化合物燃料SOFC阳极材料的应用．本文尝试用Pechini法合成LSCN，并按重量比1：1向其中加入纳米Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）作为阳极材料．经1500℃高温烧结12h后，LSCN与SDC以及电解质YSZ仍可以保持各自独立的相结构．加入SDC没能提高阳极的电导率，但由于改善了阳极电解质界面的结合状况，扩展了电极反应的活性区域，使阳极材料的极化性能有了提高．显微结构观察品示．LSCN-SDC阳极存甲烷与氧中使用时没有碳沉积现象．     

直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的研究进展

如今,世界能源与环境问题日益严峻,其中煤炭、石油等化石燃料的粗放利用是一个很重要的原因,开发一种高效、清洁的煤炭利用技术已经迫在眉睫。直接碳固体氧化物燃料电池(Direct carbon solid oxide fuel cell,DC-SOFC)作为全固态的能量转换装置,可以直接采用固体碳作为燃料,将化学能直接转化为电能,理论上其能量转化效率接近100%。这种全固态的结构可以有效地避免液态金属阳极DCFC和复合电解质型DCFC电解液泄漏、腐蚀和由空气中的二氧化碳引起的电池性能衰减等问题。随着SOFC电池技术的迅速发展,DC-SOFC技术受到了越来越多研究者的关注,并有望成为新一代清洁能源技术。然而,由于采用固体电解质和固体碳燃料,DC-SOFC阳极反应过程复杂且影响因素众多,不同的阳极材料在性能上有着不同的表现。对此,国内外研究者为解释其阳极反应机理做了大量的工作,且不断尝试将各种新型材料用作DC-SOFC的阳极,并取得了一定的成果,对其阳极反应机理做出了合理的推断,在充分发挥DC-SOFC安全性和稳定性的同时大幅提升了其输出性能。目前,对于DC-SOFC的阳极机理,根据电池中碳燃料引入形式的不同,产生了两种不同的理论,且均有合理的实验数据支撑。而已经报道的DC-SOFC阳极材料除了最早的贵金属Pt阳极材料以外,主要有以Ni-YSZ为代表的Ni基复合金属陶瓷阳极材料、以Cu-Ni-YSZ为代表的Cu基复合金属陶瓷阳极材料、以Ag-GDC为代表的Ag基复合金属陶瓷阳极材料及以LST或LSCT为代表的混合离子和电子导体阳极材料(MIECs)。大量研究表明,在金属陶瓷阳极中加入Fe、Sn等具有催化功能的元素能有效增加电池的输出功率,提高燃料的利用效率。这些材料虽然在输出性能上表现不一,但是均存在各自的优势,为DC-SOFC的研究提供了不同的思路。此外,以现有材料为基础,对阳极结构进行优化,进一步提升电池的输出性能,也为未来的阳极材料研究提供了新的方向。本文系统地总结并分析了DC-SOFC阳极结构特性、反应机理以及各类不同阳极材料的最新研究进展,展望了直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的未来发展方向,以期为DC-SOFC阳极材料的高效研究提供有价值的参考。     

固体氧化物燃料电池新型钙钛矿La_(0.9)Ca_(0.1)Fe_(0.9)Nb_(0.1)O_(3-δ)阳极的制备及其性能研究

Ni-YSZ作为固体氧化物燃料电池(SOFCs)的传统阳极具有良好的催化性能,但存在碳沉积、抗氧化还原能力差及硫毒化等问题,因此钙钛矿型材料以其良好的催化活性及耐H_2S毒化能力而成为研究热点。为此,本工作开发出了一种新型的Nb掺杂Fe基钙钛矿阳极材料La_(0.9)Ca_(0.1)Fe_(0.9)Nb_(0.1)O_(3-δ)。Fe位引入Nb显著地提高了材料在高温还原气氛中的结构稳定性,而对材料的热膨胀行为影响很小,掺杂前后材料的热膨胀系数分别为11.67×10~(-6)K~(-1)和11.57×10~(-6)K~(-1)。掺入Nb提高了阳极材料在还原气氛中的电导率,该材料在800℃时氢气中的电导率为1.95 S/cm。测试结果表明,La_(0.9)Ca_(0.1)Fe_(0.9)Nb_(0.1)O)(3-δ)阳极在H_2和CO中均表现出优异的放电性能,在800℃时放电功率分别达到539和491 m W/cm~2,电池在CO中放电200 h性能无衰减,显示出很好的长期稳定性。研究表明La_(0.9)Ca_(0.1)Fe_(0.9)Nb_(0.1)O_(3-δ)是一种极具应用前景的新型钙钛矿阳极材料。     

固体氧化物燃料电池(SOFC)钛基钙钛矿阳极的研究进展

燃料电池是一种把化学能直接连续转化为电能的高效、环保的发电系统。固体氧化物燃料电池(SOFC)作为第四代燃料电池,其结构为全固态结构,在中高温条件下工作。SOFC具备燃料范围广、材料成本低、使用寿命长、发电效率高、余热利用价值高等优点。SOFC阳极为从外界输运过来的燃料与从阴极传递过来的氧离子发生电化学反应提供场所。开发高性价比的阳极是提高SOFC性能、降低其制造成本的关键。SOFC阳极材料包括贵金属、Ni基材料、Cu基材料、钙钛矿等。然而,贵金属阳极受成本制约较为严重,Ni基阳极在使用碳氢燃料时易产生积碳而降低其使用寿命,Cu基阳极的电化学活性较低。钙钛矿阳极因其稳定的结构、较高的抗积碳和耐硫毒化能力而得到广泛关注,近年来各类钙钛矿阳极的报道层出不穷。钛基钙钛矿因其较好的催化活性、电化学稳定性、抗硫中毒及抗积碳性能成为近年来SOFC阳极研究的热点。但相较传统Ni基阳极,钛基钙钛矿仍存在催化活性和电导率较低等问题。因此,若将钛基钙钛矿阳极直接应用于SOFC中则无法满足大功率放电需求。近年来,研究者们发现可以采用掺杂、复合改性等方法来提高钛基钙钛矿阳极的电化学活性。本文以目前研究较为广泛的La掺杂钛酸锶、Y掺杂钛酸锶和其他体系的钛基钙钛矿作为对象,重点讨论了钛基钙钛矿的改性方法(如掺杂和复合)和研究进展,并给出钛基钙钛矿的发展方向。本文将为高活性、高稳定性SOFC钙钛矿阳极的研究开发提供参考依据。     

直接CH_4固体氧化物燃料电池金属支撑体研究现状与发展

金属支撑固体氧化物燃料电池(MS-SOFC)是一种不同于传统金属陶瓷阳极支撑的新型燃料电池。MS-SOFC以高热导率的不锈钢金属材料作为支撑体,具有成本低廉、结构强度高、启动速度快、抗热震性能好等优点。然而,金属与陶瓷材料在物理和化学性能上具有截然不同的特性,将金属引入到SOFC中作为支撑体,在材料选择、电池制备工艺和燃料气体种类等方面面临很多新的问题。近年来关于MS-SOFC的研究,除了金属支撑体的材料和成型工艺外,研究者们主要尝试利用各种先进的薄膜沉积技术制备MS-SOFC的阳极、电解质和阴极,并根据多孔电极和致密电解质的不同微观结构需求,不断优化MS-SOFC制备工艺。为了实现在MS-SOFC中直接使用CH_4基燃料,研究者将纳米催化剂颗粒包覆在金属支撑体的多孔网络骨架表面,从而实现阳极在重整性和抗积碳性的双重优化。此外,通过在金属支撑体外层增加高催化活性的重整层,也可以实现碳氢燃料的原位重整,提高MS-SOFC在CH_4基燃料中的稳定性能。本文讨论了MS-SOFC的发展现状,系统总结了SOFC金属支撑体材料的研究现状,分析了MS-SOFC制备过程中的关键问题。在此基础上,特别关注了直接应用CH_4作为燃料的Ni-Fe合金支撑SOFC,分析了Ni-Fe合金支撑体的结构特性,提出增强Ni-Fe合金支撑体催化活性的措施,探讨了直接CH_4固体氧化物燃料电池金属支撑体未来的发展方向。     

固体氧化物直接碳燃料电池新型阳极研究进展

固体氧化物直接碳燃料电池采用固体氧化物作为电解质, 能够将碳燃料的化学能直接转化为电能, 具有效率高、燃料适应性广、利于CO₂捕集等优点, 在能源与环境问题日益突出的现实条件下展现出广阔的应用前景。固体氧化物直接碳燃料电池中的关键问题在于研发合适的碳燃料转化阳极, 以满足反应催化、物质输运以及杂质耐受等要求。本文系统地总结并分析了多孔固体阳极、熔融碳酸盐阳极和液态金属阳极三类直接燃料电池阳极的结构特性、工作原理、材料特性等, 特别关注了以液态金属作为阳极的直接碳燃料电池, 分析了该类电极的优势, 探讨了未来固体氧化物直接碳燃料电池阳极的发展方向。     

表面铁/氮掺杂介孔石墨烯气凝胶提升微生物燃料电池阳极性能的研究

以硫酸亚铁铵为铁源和氮源,利用水热反应和冷冻干燥法制备了铁/氮掺杂的介孔还原氧化石墨烯气凝胶(FNGA)。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、比表面分析仪对材料结构进行表征;采用循环伏安法和交流阻抗法对其电化学性能进行研究。结果表明,与直接水热还原得到的石墨烯气凝胶相比较,铁/氮掺杂的石墨烯气凝胶不仅具有孔径在10~20μm之间的三维多孔结构,而且还具有10nm以下的介孔结构并且具有较高的比表面积,当其作为电极材料时可以为电解液中的小分子氧化还原反应提供更多反应位点,将其作为阳极材料应用于希瓦氏菌微生物燃料电池中后,显著提高了电池的放电功率密度与电流密度,电池的最大功率密度可达到10.94 W/m2。为开发低成本高效的微生物燃料电极阳极材料提供了新的思路。     

直接碳燃料电池燃料的研究进展

直接碳燃料电池(DCFC)具有能量转化效率高、污染低、燃料来源广等优点,是缓解能源危机和环境污染的一种有效途径,其性能与所使用的燃料密切相关。本文介绍DCFC的发展历史、研究现状及发展动态,评述了煤、焦炭、活性炭、石墨等含碳物质作为DCFC燃料的优缺点,分析讨论了碳燃料的晶体结构缺陷、表面含氧官能团对阳极电化学反应的促进作用,以及碳燃料的电解质润湿能力、孔隙结构、电导率、粒径大小对阳极电化学反应的质量传递与电荷传递的相互关系;探讨了阳极催化剂促进阳极反应并提高电池性能的机制;简要讨论了DCFC碳燃料的未来发展趋势。     

燃料电池用质子交换膜的研究进展

质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的和绝缘电子的作用,其性能和寿命直接决定电池的性能和寿命.从膜材料的角度分类,综述了质子交换膜燃料电池用主链含氟聚合物膜、元素有机聚合物膜以及芳香族碳氢化合物膜的特性和研究现状.