阳极支撑微管式固体氧化物燃料电池的研究进展

近些年来,微管式固体氧化物燃料电池(SOFC)由于其具有密封简单、体积能量密度高、抗热震性好、启动时间快等优点备受关注。本文主要介绍了微管式SOFC的优势,并重点概述了阳极支撑型微管式SOFC的制备方法、研究现状和未来的发展方向。分别对采用塑性挤出法和相转化法制备的阳极支撑微管式SOFC的技术进展进行了综述。介绍了阳极支撑微管式SOFC电池堆的设计理念,并对未来微管式SOFC的发展方向进行了展望。     

造孔剂对SOFC阴极微观结构及性能的影响

考察了造孔剂的种类、尺寸、形貌等对Pr0.6Sr0.4(Co0.2Fe0.8)Sc0.05O3-δ(PSCFS)阴极电催化性能和电极微观结构的影响。通过XRD和BET表征了不同温度焙烧的PSCFS粉体的晶相结构和比表面积,用交流阻抗法和SEM检测了PSCFS/GDC/PSCFS对称电池的电化学性质和截面形貌。结果表明:乙基纤维素(EC)为造孔剂的阴极极化阻抗最小,650℃时为0.18Ω.cm-2,～2μm的球状石墨有利于降低阴极的极化阻抗。     

进气温度对Ni-YSZ阳极支撑型平板式SOFC工作特性的影响

评估了进气温度对以氢气为燃料的平板式电极支撑固体氧化物燃料电池(planar electrode supported solid oxide fuel cell,PES-SOFC)工作特性的影响,结果表明:在设定总电流情况下,组分分布随进气温度变化不明显;随着进气温度从1 273.15K下降到1 023.15K,输出电...     

应用于大尺寸平板型固体燃料电池电堆的Al2O3-SiO2-CaO基密封材料软化特性及其验证

设计研制了Al₂O₃-SiO₂-CaO基密封材料,对其高温晶化与软化、热性能、界面黏结特性开展了原位观察,并进行了电堆实际应用验证。结果表明:在不高于1 100℃时该密封材料均为非晶态,850℃开始软化,900~1 000℃出现球化。热重分析表明密封材料在0~960℃的质量损失较小,约为0.06%;密封材料与连接板、电池界面黏结紧密,利于固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆密封应用。采用研制的密封材料组装了2个5单元SOFC短堆,分别进行了热循环与稳定性研究。结果表明:2个5单元电堆的开路电压达到6.0 V,平均开路电压1.2 V,电堆1热循环前后在35 A(0.56 A/cm²)条件下输出功率为运行无衰减,电堆2在27 A(电流密度0.43 A/cm²)进行恒流放电,运行300 h较为稳定。     

以氨为燃料的管式固体氧化物燃料电池研究

管式固体氧化物燃料电池(t-SOFC)具有易于担载催化剂、易封接等优点。本文开发了Ni O-YSZ阳极支撑型t-SOFC,测试了其分别以氢气和氨气为燃料时的电化学性能。800℃,以氨气为燃料时,电池的最大功率密度略低于氢气。阻抗谱的弛豫时间分布(DRT)分析表明电池性能与氨气的分解和三相界面的离子交换有关。通过浸渍Co-Ni(3:1)纳米催化剂,800℃时氨燃料电池功率密度可提升至159.1m W/cm²,同时稳定性有所改善。     

固体氧化物燃料电池阴极材料氧缺陷形式及迁移过程第一性原理计算

采用第一性原理方法研究了层状阴极材料LaSrCoO4±δ及PrBaMn2O5+δ的电子结构、缺陷形成能及氧离子迁移能,针对La/Sr、Pr/Ba等A位原子分层有序排列和交替混合排列2种结构,系统地分析了其对电子结构、氧空位及间隙氧缺陷的影响.结果表明:对于LaSrCoO4±δ,La/Sr分层有序排列更利于间隙氧离子的形...     

固体氧化物燃料电池阴极材料氧缺陷形式及迁移过程第一性原理计算EI北大核心CSCD

采用第一性原理方法研究了层状阴极材料LaSrCoO_(4±δ)及PrBaMn_(2)O_(5+δ)的电子结构、缺陷形成能及氧离子迁移能,针对La/Sr、Pr/Ba等A位原子分层有序排列和交替混合排列2种结构,系统地分析了其对电子结构、氧空位及间隙氧缺陷的影响。结果表明:对于LaSrCoO_(4±δ),La/Sr分层有序排列更利于间隙氧离子的形成和迁移,对于PrBaMn_(2)O_(5+δ),Pr/Ba交替混合排列更有利于氧空位的形成和迁移。结合电子密度实空间密度分布,进一步分析了不同体系氧缺陷的形成和氧离子的迁移差异的原因,为该材料的研究和优化提供了具体的微观图像。     

国内固体氧化物燃料电池研究现状与展望

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)凭借着燃料适用范围广、高效率、全固态封装、排放几乎无污染、运行安静等显著优点一定程度的应用于固定式发电、交通运输、军事、空间宇航等领域。但由于我国起步较晚,在研发上仍处在实验室和小规模示范阶段,与国际先进技术存在着一定的差距。本文着重从国内几家主要的科研院所、企业介绍目前国内SOFC的研究进展状况,对国内SOFC发展中存在的问题进行总结以及对未来发展方向进行展望。     

金属陶瓷阳极材料的高效固体氧化物燃料电池研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)利用金属陶瓷作阳极材料,具有能量转换效率高、燃料适用性强和无腐蚀等优点,是当今一种先进的能量转换装置。本文分析了固体氧化物燃料电池在电解质和电极材料方面的性能和特点,研究了金属陶瓷阳极材料及SOFC单电池的伏安特性和性能,探讨了固体氧化物燃料电池的应用和发展前景。     

微管式固体氧化物燃料电池制备技术及电堆组装工艺

微管式固体氧化物燃料电池(MT-SOFC)能显著减小固体氧化物燃料电池(SOFC)的体积,微型化结构使其传质、传热和反应效率明显提高,可实现快速启动与关闭,易于移动和携带。本文概述了微管式固体氧化物燃料电池的结构、关键制备工艺、研究现状、存在问题和应用前景。对电解质支撑型、阳极支撑型及阴极支撑型MT-SOFC结构和性能进行了分析比较,介绍了等静压成型、挤出成型和相转化纺丝法制备陶瓷中空纤维的技术,综述了微管负载型电解质膜技术和微管电池堆组装技术,并对MT-SOFC发展方向及在便携电源、汽车动力电源和微反应器领域的应用进行了展望。     

操作条件对固体氧化物燃料电池阳极反应转变的影响

研究了不同电流密度下,甲烷浓度、反应温度对甲烷在SOFC中反应由部分氧化到完全氧化转变的规律;测量了不同电流密度下,阳极出口气体产生速率;确定了甲烷浓度和电池反应温度变化时甲烷电化学反应由部分氧化转变为完全氧化的电流密度门槛值,及该门槛值与甲烷浓度、电池操作温度的变化关系.结果说明甲烷开始发生完全氧化的电流密度门槛值与甲烷浓度成正比;甲烷浓度一定,温度升高,甲烷开始发生完全氧化的电流密度的门槛值也随之提高.     

SOFC中干甲烷在Ni-YSZ阳极上的转化

以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)作电解质、Ni-YSZ为阳极,研究中/低浓度干甲烷在固体氧化物燃料电池(SOFC)中阳极的反应。改变甲烷浓度,测量不同电流密度下,阳极出口气体产生速率,得到不同电流密度下的CH_4转化率(X_(CH_4))与CO选择性(S_(CO))。根据质量平衡以及产物生成速率与不同反应速率之间的关系,分析干甲烷在阳极平行发生的化学和电化学反应,得到X_(CH_4)和S_(CO)与阳极反应的关系。结果表明,低浓度千甲烷,在电流密度小时,发生部分氧化(POM)反应;电流密度大时,在发生POM反应的同时,发生全氧化(DOM)反应。中浓度干甲烷,发生POM反应。当发生DOM反应时,随电流密度的增加,CO选择性降低,甲烷转化率增加的幅度降低。发生POM反应时,两种浓度甲烷的电化学转化速率基本相同。     

SOFC中低浓度干甲烷在Ni/YSZ阳极上的反应

固体氧化物燃料电池(SOFC)趋向于直接使用甲烷天然气为燃料,确定甲烷在固体氧化物燃料电池阳极发生的化学与电化学反应非常重要.以Ni/YSZ为阳极、YSZ板做电解质、LSM为阴极,用涂浆法制作电解质支撑的电池,研究低浓度干甲烷在固体氧化物燃料电池中的反应.改变甲烷浓度、电池工作温度、电解质厚度,用在线色谱测量不同电流密度下,阳极出口气体产生速率.根据阳极出口气体产生速率变化,分析干甲烷在阳极的反应变化.通过氧消耗计算和转移电子数的分析,说明甲烷在电池阳极发生不同类型的反应.电流密度小时,甲烷发生部分氧化反应.电流密度大时,发生氢氧化和CO氧化,部分甲烷发生总反应为完全氧化的反应.部分甲烷发生完全氧化反应的同时,部分甲烷仍发生部分氧化反应,但其反应速率随电流密度增加逐渐降低.甲烷浓度和试验温度增加,甲烷开始发生完全氧化的电流密度增加.     

SOFC中不同浓度干甲烷在Ni-YSZ阳极上的反应

引言 天然气是适于固体氧化物燃料电池(SOFC)应用的燃料之一,天然气中主要成分是甲烷.甲烷通过全氧化或部分氧化[1-4]反应,在发电的同时,生成适于发电或其他用途的富含H2、CO的气体.     

固体氧化物燃料电池的制备工艺

介绍了不同形状和类型的固体氧化物燃料电池的各结构部件的常用制备工艺方法,包括:用于平板式支撑体制备的干压法和流延成型法,制备平板膜的涂刷、丝网印刷、离心沉积和旋涂法,管式支撑体制备的注浆成型、挤出成型、热压注、浸涂、凝胶铸模和相转换法,以及用于管式膜制备的涂刷、浸涂、料浆喷涂、电化学气相沉积和热喷涂法。针对每种工艺方法,介绍了其原理和基本工艺操作流程及其在固体氧化物燃料电池制备中的应用,讨论了工艺影响因素。     

Kinetics of crack healing and self-repair behaviors in a sealant glass for SOFC applications

A sealant is required for the solid oxide fuel cell (SOFC) to maintain hermeticity at high operating temperatures, keep fuel and oxidant from mixing, and avoid shorting of the cell stack. Glass and glass–ceramic materials are widely used as a sealant because their properties can be tailored to meet the stringent requirements of SOFC stack, but they are susceptible to cracking. In contrast, a promising concept of self-repairable glass for seals is pursued for making reliable seals that can self-repair cracks at the SOFC operating temperatures. This concept is studied through measuring crack-healing kinetics and independent measurement of glass viscosity for relating to the observed self-repair. The cracks on the glass surface are created using a Vickers indenter to achieve a well-defined crack geometry, and then the glass is exposed to elevated temperatures for different length of times to study the crack-healing kinetics. The crack-healing kinetics is compared with the predictions of our theoretical model and found to be in good agreement. In addition, glass viscosity is extracted from the healing kinetics and compared with the independent measurement of viscosity measured from the dilatometry and sintering data to further validate the crack-healing theoretical model. These results are presented and discussed.     

Durability test of SOFC cathodes

The durability of solid oxide fuel cell (SOFC) composite cathodes of lanthanum strontium manganite and yttria stabilised zirconia was investigated. The cathodes were kept at constant, realistic operating conditions (–300 mA cm^–2 at 1000 °C in air) for up to 2000 h. After the 2000 h test the increase in electrode overvoltage exceeded 100% of the initial value. Nominally identical cathodes kept for 2000 h at 1000 °C in air without current load for comparison showed little or no degradation. Thus, the current load of –300 mA cm^–2, rather than the operation temperature of 1000 °C, was responsible for the degradation. Structural analysis showed an increase in the porosity at the electrode interfaces, when the electrode had been polarised. No such structural changes were found for electrodes tested without current load. The degradation is primarily ascribed to pore formation in the electrode material induced by an electric field.     

Alternative concept for SOFC with direct internal reforming operation: Benefits from inserting catalyst rod

Mathematical models of direct internal reforming solid oxide fuel cell (DIR‐SOFC) fueled by methane are developed using COMSOL® software. The benefits of inserting Ni‐catalyst rod in the middle of tubular‐SOFC are simulated and compared to conventional DIR‐SOFC. It reveals that DIR‐SOFC with inserted catalyst provides smoother temperature gradient along the system and gains higher power density and electrochemical efficiency with less carbon deposition. Sensitivity analyses are performed. By increasing inlet fuel flow rate, the temperature gradient and power density improve, but less electrical efficiency with higher carbon deposition is predicted. The feed with low inlet steam/carbon ratio enhances good system performances but also results in high potential for carbon formation; this gains great benefit of DIR‐SOFC with inserted catalyst because the rate of carbon deposition is remarkably low. Compared between counter‐ and co‐flow patterns, the latter provides smoother temperature distribution with higher efficiency; thus, it is the better option for practical applications. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2010     

沉淀法制备草酸镍对SOFC阳极电性能的影响

以Ni(NO3)2·6H2O为主要原料,氨水为沉淀剂,采用沉淀法制备草酸镍.以草酸镍作为SOFC阳极材料.通过XRD、DTA-TG、SEM和电化学工作站等测试手段分别对粉体物相、热综合分析及电池的结构与电性能进行了表征.研究结果表明,利用沉淀法制备的粉体为单斜晶系的Ni2C2O4·2H2O,以NiC2O4· 2H2O作为阳极材料,具有很高的催化活性,使得单电池在H2燃料气下750℃的开路电压为1.05V,最高功率密度为1.32W/cm2.     

等离子喷涂在制备中温平板式固体氧化物燃料电池中的应用

固体氧化物燃料电池 (solidoxidefuelcell,SOFC)是一种新型的高效率、环境友好的能量转换装置。为了在竞争激烈的电力市场中实现商业化 ,急需降低SOFC的工作温度 (目前成熟电池堆的工作温度 >80 0℃ ) ,兼顾提高电池堆长期工作稳定性的同时 ,能大幅度削减生产成本。等离子喷涂工艺由于能够高效率的获得理想层状结构和优良结合强度的涂层 ,在中温平板式SOFC的阳极、电解质和阴极制备中均有应用。文中简要说明了等离子喷涂工艺原理及特点 ,综述了其在制备中温 ( 65 0～ 80 0℃ )平板式SOFC中的应用 ,并展望了今后的研究发展方向