新型复合阴极Sr_(0.95)Ti_(0.05)Co_(0.95)O_(3-δ)–Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)在中低温固体氧化物燃料电池中的性能

采用柠檬酸自蔓延燃烧法合成了Sr0.95Ti0.05Co0.95O3-δ(STC)阴极粉体和Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)电解质粉体,将STC与SDC粉体按质量比7:3混合得到复合阴极。通过X射线衍射(XRD)、直流四端子法和热膨胀仪表征了样品的化学相容性、电导率和热膨胀系数。XRD表明,STC在900℃能够得到立方纯钙钛矿结构,复合阴极STC-SDC在工作温度区间内具有很好的化学相容性;在650℃空气气氛下STC-SDC与SDC之间的界面极化阻抗仅为0.05Ω·cm2。制备了阳极支持型(Ni O-SDC│SDC│STC-SDC)单电池,在450~650℃范围内以湿润的H2(3%水蒸汽)为燃料气,空气为氧化剂测试了单电池的性能。结果表明:阳极支撑的单电池共烧1 350℃可以得到致密的电解质层和多孔的电极,而且650℃时单电池开路电压0.82V,最大输出功率为721 m W/cm2。结果预示,在以SDC为电解质的中低温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)中,STC-SDC是一个很有前途的复合阴极材料。     

SmBaCo2O5+δ-Ce0.8Sm0.2O1.9复合阴极的热膨胀及电化学性能

采用甘氨酸-硝酸盐法(GNP)合成SmBaCo2O5+δ(SBCO)阴极材料和Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)电解质材料,制备不同比例的SBCO-SDC复合阴极,考察SDC含量对复合阴极的热膨胀、电导率和电化学性能的影响。结果表明,SBCO与SDC在1100℃混合煅烧未发生明显的化学反应,两者之间具有良好的化学相容性。SDC的加入可有效改善复合阴极的热膨胀性能,随着SDC含量的增加,SBCO-SDC复合阴极的热膨胀系数(TEC)逐渐减小,同时其电导率也逐渐下降。此外,SDC的加入导致SBCO-SDC复合阴极界面电阻(ASR)增加。当SDC含量为20%时,750℃测试的ASR为0.145Ω.cm2,500～800℃范围内电导率大于100 S.cm-1,满足IT-SOFC阴极材料的要求。     

La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3–δ)–Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)复合阴极的制备及性能表征

分别采用凝胶浇注法和甘氨酸–硝酸盐法制备La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3–δ(LSCF)粉体与Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)粉体,随后制备出不同比例的LSCF–SDC复合阴极。用X射线衍射分析粉体的化学稳定性,用扫描电子显微镜观察复合阴极的微观结构,在500～800℃范围内测量其热膨胀系数和电导率。采用丝网印刷法将LSCF–SDC涂覆在SDC电解质片上,在1100℃烧结4h。用交流阻抗法在600～800℃范围内测量不同成分的LSCF–SDC复合阴极和SDC电解质的交流阻抗谱。结果表明:LSCF和SDC粉体具有良好的化学相容性,烧结体具有多孔结构,LSCF–SDC复合阴极与SDC电解质可形成良好的接触界面。SDC的加入在降低阴极材料的热膨胀系数的同时还保持了其本身较高的电导率,在中温范围内,电导率达到500S/cm以上。复合阴极的极化电阻随着SDC的含量增加而减小,当SDC含量为30%时,复合阴极的极化电阻最小,在700℃空气中测试得到的界面电阻为0.32Ω·cm2。     

双钙钛矿阴极材料SmBaCo_2O_(5+δ)的甘氨酸-硝酸盐法合成及性能

采用甘氨酸-硝酸盐法(glycine-nitrate process,GNP)合成中温固体氧化物燃料电池(intermediate temperature solid oxide fuel cell,IT-SOFC)的阴极材料SmBaCo2O5+δ(SBCO)。利用X射线衍射仪和扫描电镜对材料的化学稳定性和微观结构进行表征。结果表明:SBCO与电解质Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)的化学相容性良好,电极在1050℃焙烧5h后,SBCO与SDC之间接触良好。SBCO的电导率在500～800℃达到1231～763S/cm。以SDC为电解质,阴极材料SBCO在750℃时的极化电阻为0.073?·cm2。在800℃条件下,当阴极过电位为49mV时,SBCO阴极的电流密度达到172.14mA/cm2,可作为IT-SOFC较为理想的阴极材料。     

中温固体氧化物燃料电池新型层状钙钛矿阴极材料Y0.8Ca0.2BaCo2O5+δ

研究了中温固体氧化物燃料电池的新型层状钙钛矿Y0.8Ca0.2BaCo2O5+δ(YCBC)阴极材料。采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法合成了YCBC以及YBaCo2O5+δ(YBC)粉体。X射线衍射结果表明：YCBC粉体在950℃空气中煅烧3 h能够很好地成相,而YBC粉体需要1100℃。电导率测试结果表明：在整个测试温度350～800℃范围内,YCBC的电导率(435～506 S/cm)明显比YBC的电导率(205～323 S/cm)高。使用电化学阻抗谱技术测试了对称电池YCBC/SDC/YCBC和阳极支撑的单电池YCBC/SDC/Ni-SDC的电化学性能。以H2为燃料气(含体积分数3%水蒸气),空气为氧化剂,650℃时单电池YCBC/SDC/Ni-SDC的最大输出功率为351 mW/cm2。目前研究表明YCBC是具有潜力的中温固体氧化物燃料电池阴极材料。     

中温固体氧化物燃料电池新型层状钙钛矿阴极材料Y0.8Ca0.2BaCo2O5+δ（英文）

研究了中温固体氧化物燃料电池的新型层状钙钛矿Y0.8Ca0.2BaCo2O5+δ(YCBC)阴极材料。采用柠檬酸–硝酸盐自蔓延燃烧法合成了YCBC以及YBaCo2O5+δ(YBC)粉体。X射线衍射结果表明:YCBC粉体在950℃空气中煅烧3 h能够很好地成相,而YBC粉体需要1 100℃。电导率测试结果表明:在整个测试温度350~800℃范围内,YCBC的电导率(435~506 S/cm)明显比YBC的电导率(205~323 S/cm)高。使用电化学阻抗谱技术测试了对称电池YCBC/SDC/YCBC和阳极支撑的单电池YCBC/SDC/Ni-SDC的电化学性能。以H2为燃料气(含体积分数3%水蒸气),空气为氧化剂,650℃时单电池YCBC/SDC/Ni-SDC的最大输出功率为351 mW/cm2。目前研究表明YCBC是具有潜力的中温固体氧化物燃料电池阴极材料。     

Cu掺杂SmBaCo_2O_(5+δ)作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料的研究

采用EDTA-甘氨酸法制备了SmBaCo_(2-x)Cu_xO_(5+δ)(SBCC_x,x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)阴极材料,研究不同Cu掺杂量对SBCC_x材料的晶体结构、热膨胀系数、电导率及电化学性能的影响。结果表明,在SmBaCo_2O_(5+δ)阴极材料的Co位掺入Cu,材料的晶胞体积逐渐变大,热膨胀系数将随着Cu的加入而逐渐降低,与Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)(SDC)电解质热匹配性良好。以SBCC1.0为阴极,SDC为电解质,N-SDC为阳极支撑的单电池在750℃时输出功率达到346 mW·cm~2,这得益于SBCC1.0在750℃时电导率值为133S·cm~1和较小的极化电阻0.154Ω·cm~2。     

无Co双钙钛矿结构中温固体氧化物燃料电池阴极材料SmBaFeNiO5+δ及其性能优化

用溶胶–凝胶法合成了无Co的双钙钛矿SmBaFeNiO_5+δ(SBFN)阴极材料,并引入Sm_0.2Ce_0.8O_1.9 (SDC)电解质材料制备复合阴极,降低热膨胀系数和优化性能。研究表明:SBFN在30~900℃的平均热膨胀系数为14.1×10^-6 K^-1,SBFN–SDC15 (质量比为85:15)复合阴极的平均热膨胀系数降为12.0×10^-6 K^-1。SBFN在425℃时电导率具有最大值,为48 S/cm。700℃时SBFN|SDC|SBFN对称电池的界面极化阻抗(Rp)为0.386Ω·cm²。在SBFN中引入SDC可以改善其电化学性能,SBFN–SDC10 (质量比为90:10)复合阴极具有最低的Rp,为0.224Ω·cm²。800℃时,以SBFN和SBFN–SDC10为阴极的单电池,最大功率密度分别为367.6 m W/cm²和507.8 m W/cm²。     

以Ni-YSZ和Sm0.5Sr0.5Fe0.8Cu0.2O3-δ为电极的微管固体氧化物燃料电池的制备及电化学性能（英文）

分别以Ni-YSZ中空纤维为阳极和Sm0.5Sr0.5Fe0.8Cu0.2O3–δ–Sm0.2Ce0.8O1.9（SSFCu-SDC）为阴极制备了微管固体氧化物燃料电池（SOFC）。利用扫描电子显微镜（SEM）、电化学工作站表征了微管单电池的显微结构与电化学性能。SEM分析表明,采用相转化法制备的Ni-YSZ中空纤维阳极呈特殊的非对称结构,主要由中间海绵状结构和内外两侧的指孔状多孔结构构成。通过真空辅助浸渍涂覆法和与阳极共烧技术在阳极支撑体上制备了致密的YSZ电解质膜和SDC过渡层。分别采用湿氢为燃料和静态环境空气为氧化剂测定了制备的微管单电池在650～750℃时的电化学性能。结果表明,该微管单电池具有高的输出性能,在750、700℃和650℃时的最大功率密度分别可达到485.9、382.7mW/cm2和260.3mW/cm2。     

La_2O_3-CaO复合添加对Ni-Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)阳极电化学和抗积碳性能的影响

通过甘氨酸硝酸盐法合成出添加0~6 mol%La_2O_3-CaO的NiO-SDC(Sm0.2Ce0.8O1.9)复合阳极(La_2O_3-CaO/NiO-SDC)粉体,以SDC为电解质、BSCF(Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ)为阴极构建SOFC单电池。考察了La_2O_3-CaO添加对Ni-SDC阳极微观组织和电化学性能等的影响;以乙醇为燃料气测定单电池的电化学性能和阳极的抗积碳性能。实验结果表明,La_2O_3-CaO/NiO-SDC复合阳极主要由NiO和SDC相组成,而La_2O_3和CaO的存在状态与其加入量有关。La_2O_3-CaO的加入,使复合阳极的电导率有所降低。添加少量La_2O_3-CaO阳极的SOFC单电池在乙醇燃料中的电池性能有所增加,800℃时添加2 mol%La_2O_3-CaO的Ni-SDC阳极的单电池最大输出功率为377.79 m W·cm-2,而Ni-SDC阳极单电池的最大输出功率仅158.86 m W·cm-2。此外,La_2O_3-CaO的添加有效减少了Ni-SDC阳极单电池在乙醇燃料中的积碳,提高了电池的运行稳定性。     

阴极材料用Pr0.6-xNdxCa0.4FeO3-δ陶瓷的特性

以Pechini法合成了ABO3型钙钛矿结构的Pr0.6-xNdxCa0.4FeO3-δ(x=01,0.3,0.5)系列稀土复合氧化物粉体.用Fourier变换红外光谱和激光共焦Raman光谱对粉体烧结后样品的化学键及物相进行了表征.用热膨胀仪测定烧结样品的热膨胀系数.通过扫描电镜观察样品用作阴极材料时的微结构及阴极/电解质[钐掺杂氧化铈(samarium-doped ceria,SDC)]复合层的断口形貌.结果表明:1 200℃煅烧2h的样品的主晶相为正交钙钛矿,x=0.3的样品是正交与立方相的混合晶.在室温～1 000 ℃范围内,烧结样品的平均热膨胀系数为12.76x10-6/K,与SDC及La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3-δ(LSGM)电解质的热膨胀系数一致.烧结样品内部孔隙分布均匀,孔隙率约35%,阴极/电解质复合层界面清晰.将复合氧化物粉体和SDC在1 200℃煅烧10h没有检测出第三相.     

阴极材料用Pr_(0.6–x)Nd_xCa_0.4FeO_(3–δ)陶瓷的特性

以Pechini法合成了ABO3型钙钛矿结构的Pr0.6-xNdxCa0.4FeO3-δ(x=0.1,0.3,0.5)系列稀土复合氧化物粉体。用Fourier变换红外光谱和激光共焦Raman光谱对粉体烧结后样品的化学键及物相进行了表征。用热膨胀仪测定烧结样品的热膨胀系数。通过扫描电镜观察样品用作阴极材料时的微结构及阴极/电解质[钐掺杂氧化铈(samarium-doped ceria,SDC)]复合层的断口形貌。结果表明:1200℃煅烧2h的样品的主晶相为正交钙钛矿,x=0.3的样品是正交与立方相的混合晶。在室温～1000℃范围内,烧结样品的平均热膨胀系数为12.76×10-6/K,与SDC及La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3-δ(LSGM)电解质的热膨胀系数一致。烧结样品内部孔隙分布均匀,孔隙率约35%,阴极/电解质复合层界面清晰。将复合氧化物粉体和SDC在1200℃煅烧10h没有检测出第三相。     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料LaFe1-xCuxO3-δ的制备与性能研究

采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法合成了LaFe1-xCuxO3-δ(LFC)阴极粉体和Gd0.1Ce0.9O2-δ(GDC)电解质粉体,构建了对称固体氧化物燃料电池LFC/GDC/LFC。利用X射线衍射法(XRD)研究LFC材料的物相结构以及与电解质GDC的化学相容性,采用直流四端子法测试了阴极的电导率,采用交流阻抗法记录界面极化行为,通过扫描电子显微镜(SEM)观察对称电池的断面微观结构。结果表明:合成的LFC粉体(x≤0.2)均呈现单一的钙钛矿结构,且与电解质GDC在低于900℃具有良好的化学相容性;B位掺杂Cu元素能够提高阴极材料的电导率,700℃左右在x=0.2时其电导率最大为104 S·cm-1;极化阻抗随着Cu2+掺杂量的增加而减小,x=0.2时在750℃空气气氛下的电极与电解质间的极化阻抗Rp最小为0.237Ω·cm2。     

阳极NiO/YSZ含量对SOFC电化学性能的影响

采用水系流延技术制备电解质,利用涂覆法分别在电解质面涂覆Ni O/YSZ阳极和LSM/YSZ阴极得到电解质支撑型单电池。采用SEM和电化学工作站等测试手段分别对半电池的结构和单电池的电性能进行表征。研究结果表明,经1500℃保温2h烧成电解质,经1250℃保温2 h烧成半电池,电解质表面致密,阳极与电解质结合性好。Ni O/YSZ=6∶4阳极的单电池以氢气+3%H2O为燃料气,空气为氧化气,在750℃运行的最大功率密度为0.20 W/cm2,极化阻抗为0.98Ω·cm2。     

表面修饰对镧锶钴铁阴极材料电化学性能的影响

通过柠檬酸-EDTA络合法制备固体氧化物燃料电池阴极材料La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(LSCF)粉体。以Sm_0.2Ce_0.8O_1.9(SDC)为电解质,制备了LSCF/SDC/LSCF对称电极。采用浸渍法在LSCF/SDC/LSCF两侧浸渍La(NO₃)₃、Ni(NO₃)₂、Fe(NO₃)₃混合溶液,850℃烧结后得到表面修饰后的阴极材料。研究了浸渍烧结后表面修饰阴极材料的物相结构特征、电化学交流阻抗、电化学催化活性及单电池输出性能。结果表明:通过浸渍法在LSCF阴极表面形成了与LSCF结构相似的La_0.62Sr_0.38Ni_0.03Co_0.19Fe_0.78O_3-δ(LSNCF)固溶体,在表面产生的纳米颗粒提升了阴极材料对O2的吸附解离能力,并表现出较低的极化阻抗,在800℃时LSNCF阴极材料的极化面电阻为0.083Ω·cm²,在800℃连续工作7 200 min后,LSNCF阴极材料对称电池极化阻抗为0.117Ω·cm²。以Ni-SDC为阳极,SDC为电解质,LSNCF为阴极组装阳极支撑单电池,在750℃时最大功率密度为693 m W/cm²。     

SOFC阴极材料La_(0.7)Sr_(0.3)Fe_(0.7)Co_(0.2)Ni_(0.1)O_(3-δ)的制备与性能

采用溶胶-凝胶法、固相法制备La_(0. 7)Sr_(0. 3)Fe_(0. 7)Co_(0. 2)Ni_(0. 1)O_(3-δ)(LSFCN)中低温固体氧化物燃料电池阴极材料,通过热重-差热分析、X射线衍射、扫描电镜、直流四探针法、热膨胀系数、交流阻抗对材料的结构与性能进行研究。结果表明,2种方法制备的LSFCN均为单一的钙钛矿结构,并且与电解质SDC在950℃以下没发生化学反应,稳定性较好。溶胶-凝胶法制备的阴极粉体颗粒最小、形状规整、结晶度高。在测试温度400～800℃条件下,2种方法合成的阴极材料LSFCN是小极化子导电机制,电导率随着测试温度的升高而增大。溶胶-凝胶法制得的LSFCN的电导率均大于固相法,在800℃时最大达到619. 4S/cm。2种方法制备的LSFCN阴极样品与电解质SDC匹配性好。2种方法制备的LSFCN有利于氧在三相界面的传输,提高了材料的电化学性能。     

沉淀法制备中温固体氧化物燃料电池电解质材料8YSZ

以Zr （NO3）4·5H2O与Y（NO3）3·6H2O为主要原料,以柠檬酸为缓冲溶液,采用沉淀法制备电解质用8YSZ粉体,利用涂覆法在水系流延技术制备的半电池上涂覆LSM阴极得到单电池.运用XRD、TEM、激光粒度仪、SEM和电化学工作站等测试手段对粉体的物相、结构和粒度分布及单电池的结构与电性能进行了表征.研究结果表明,分散均匀、颗粒尺寸为50～100 nm、立方相8YSZ电解质在1375℃烧成具有高致密度,单电池在750℃时,以氢气和3％水蒸汽为燃料气,空气为氧化气的条件下,获得了开路电压为1.13 V,最大功率为0.93 w/cm2,欧姆阻抗为0.19Ωcm2和极化阻抗为0.65 Ωcm2的电性能.     

添加Al2O3对Ce0.8Sm0.2O1.9固体电解质烧结行为和性能的影响

通过凝胶浇注法制备了Al2O3掺杂0～3%（按质量计）的Ce0.8Sm0.2O1.9（samarium doped ceria,SDC）粉体.对所得粉体的相组成和粒度等进行了测定.粉体经模压成形,生坯在1 350～1 450℃烧结5 h,制成Al2O3-SDC固体电解质材料,对该材料样品的密度、微结构、电导率及抗弯强度等进行了测试分析.试验结果表明：掺入适量的Al2O3,所得Al2O3-SDC粉体具有良好的烧结性能,并能使Ce0.8Sm0.2O1.9粉体保持立方萤石结构,其烧结样品具有较高电导率,并且力学性能明显提高.未添加和添加1.0%Al2O3的SDC材料在600℃的电导率分别为0.28 S/cm和0.030 S/cm;室温抗弯强度分别为89.3 MPa和109.7 MPa.     

固体氧化物燃料电池复合电解质粉体BaCe0.8Y0.2O3–δ-Ce0.8Gd0.2O1.9的制备及表征

用分步硝酸盐-柠檬酸凝胶燃烧法制备新型混合离子传导复合电解质粉体BaCe0.8Y0.2O3-δ-Ce0.8Gd0.2O1.9[BCY-GDC,摩尔比n（BCY）：n（GDC）=1：1],研究不同烧结温度下制备的BCY-GDC电解质片的性能,以及以BCY-GDC为电解质的单电池的电性能。结果表明：采用该法可以获得分布均匀的BCY-GDC粉末,平均晶粒尺寸约为40nm;BCY-GDC复合电解质的相对密度随着烧结温度的升高而不断增大;1450℃烧结5h的电解质片基本达到完全致密,且BCY、GDC两相分布均匀,并且随着烧结温度的升高,复合电解质片的电导率增大;以BCY-GDC为电解质的单电池在450℃的开路电压达到0.95V,700℃的最大功率密度达到0.4W/cm2。     

固体氧化物燃料电池阴极材料La_(0.7)Sr_(0.3)Fe_(0.7)Co_(0.2)Cu_(0.1)O_(3-δ)的制备与性能

采用溶胶-凝胶法、固相法、共沉淀法制备La_(0.7)Sr_(0.3)Fe_(0.7)Co_(0.2)Cu_(0.1)O_(3-δ)(LSFCC)阴极材料,通过热重-差热分析(TG-DTA)、热膨胀系数(TEC)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、直流四探针法对材料的结构与性能进行研究。XRD结果表明:不同方法制备的LSFCC均为单一的钙钛矿结构,并且与电解质SDC在煅烧的过程中未发生反应,具有良好的化学稳定性。溶胶-凝胶法制备的阴极粉体粒径最小、颗粒大小均匀、结晶度高。在空气气氛下采用流四电极法测试了阴极材料LSFCC的电导率,研究结果表明:在测试温度400~800℃条件下,溶胶-凝胶法与共沉淀法合成阴极材料LSFCC的导电机制为小极化子导电理论,而固相法制得的LSFCC电导率随着测试温度的升高先增大后减小,表现出类金属导电机理。最大电导率为溶胶-凝胶法制得的LSFCC,在800℃达到了691.71 S/cm。热膨胀系数研究表明:不同方法制备的LSFCC阴极样品与电解质SDC相匹配。