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。     

共沉淀法合成La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)及其性质的研究

采用共沉淀法合成了具有钙钛矿结构的中温固体电解质La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM),并用DTA-TGA和X射线衍射仪分析了LSGM材料中钙钛矿相的形成过程,采用SEM、交流阻抗谱等检测技术对LSGM电解质的结构及性能进行了表征.XRD分析结果表明,1200℃烧结后,粉体开始形成钙钛矿结构,随温度的升高粉体中杂相含量越来越少,于1450℃时形成了单一的钙钛矿相结构.     

Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)-Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2-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_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3–δ)(BSCF)粉体后,使用Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2–δ)(GDC)溶胶包裹BSCF粉的方法制备疏松多孔的BSCF-x GDC(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?·cm~2;以BSCF-40GDC为阴极制备的单电池,以H_2+3%H_2O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/cm~2,欧姆电阻为0.257?·cm~2,两极极化电阻为0.0588?·cm2。     

共压共烧法制备La_(0.8)Sr_(0.2)(Ga_(0.8)Mg_(0.2))_(0.1)Fe_(0.9)O_(3-δ)致密扩散障碍层极限电流型氧传感器

采用固相合成法制备了La_(0.8)Sr_(0.2)(Ga_(0.8)Mg_(0.2))_(0.1)Fe_(0.9)O_(3-δ)(LSGMF)混合导体和La_(0.8)Sr_(0.2)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)固体电解质,利用XRD、TGA、范德堡直流四探针法和热膨胀仪等对试样进行了分析。以LSGMF为致密扩散障碍层,以LSGM为氧泵层,采用共压共烧结法制备了极限电流型氧传感器,利用SEM和EDS对LSGMF/LSGM陶瓷体横截面的微观形貌和成分进行了分析。结果表明:LSGMF具有菱方钙钛矿结构(R-3c空间群),它在650℃失重速率最快,其电导率随温度的升高而增大;300~1000℃范围,LSGM与LSGMF的热膨胀系数分别为12.51×10~(–6)/℃和12.80×10~(–6)/℃。650~850℃范围,氧传感器具有良好的极限电流平台,lg I_L(极限电流I_L)与1000/T呈线性关系,LSGMF中氧离子的扩散激活能为0.4008 e V。800℃、0.3mol%x(O_2)21.0mol%时,极限电流IL与氧含量x(O_2)间的关系为:I_L(m A)=10.285x(O_2)(mol%),R=0.9982。LSGMF和LSGM结合牢固,未产生裂纹,EDS分析基本符合各化合物的化学计量比。     

Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)-Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)复合阴极的制备及其电化学性能

采用固相反应法合成中温固体氧化物燃料电池的Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)阴极粉末,经机械混合法制备出Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)-Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)复合阴极粉末。研究了不同煅烧温度得到粉末的晶体结构,判断得出Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)阴极粉末的最佳煅烧温度,表征了Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)和Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)之间的化学相容性。通过电化学工作站对Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)和Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)-Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)的电化学性能进行了测试。结果表明:Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)的最佳煅烧温度大约是1400℃,Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)阴极和Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)电解质二者之间呈现出良好的化学相容性。Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)-Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)粉末的中位径(D_(50))约是8.034μm。Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)电解质粉末的添加有效地降低了Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)的极化电阻。与Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)相比,Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)-Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)复合阴极的单电池在700℃时具有更高的功率密度。     

中温固体氧化物燃料电池Nd_2NiO_(4+δ)-Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2–δ)复合阴极性能研究

研究了Nd_2NiO_(4+δ)(NNO)-Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(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Ni O-YSZ阳极支撑层、Ni O-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_(0.6)Sr_(0.4)CoO_(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/cm~2(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?·cm~2。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。     

质子导体固体氧化物燃料电池的PrBa0.5Sr0.5Cu2O6-δ复合阴极材料

采用柠檬酸盐燃烧法制备了无钴双钙钛矿氧化物PrBa_(0.5)Sr_(0.5)Cu_2O_(6-δ)(PBSC)粉体,探究其作为质子导体固体氧化物燃料电池(H-SOFCs)阴极材料的可行性。研究了它与质子导体电解质BaZr_(0.1)Ce_(0.7)Y_(0.2)O_(3-δ)(BZCY)之间的化学相容性,分析了单相阴极PBSC、复合阴极PBSC-BZCY与电解质之间的热匹配性,并测试了单电池的电化学性能。结果发现,以PBSC为阴极、NiO-BZCY为阳极、BZCY为电解质的单电池在750℃时的最大功率密度为230 mW·cm~(-2),表明PBSC可作为H-SOFCs的阴极材料。而以PBSC-BZCY为阴极的单电池在750℃时的最大功率密度高达669 mW·cm~(-2)。复合阴极电池性能的大幅提高主要与阴极反应从单相阴极/电解质界面扩展到复合阴极电池的整个阴极区域,大幅降低电池电阻有关。PBSC-BZCY复合阴极在H-SOFCs中的应用具有较好的前景。     

EDTA溶胶-凝胶法制备LSGM8282和LSGMF5及其性能比较

采用EDTA络合溶胶-凝胶法合成了中温固体氧化物燃料电池的电解质LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8-Mg0.2O3-δ)和LSGMF5(La0.8Sr0.2 Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3-δ),比较了LSGM8282和LSGMF5的比表面积、交流阻抗谱、电导率、密度、XRD和FT-IR等,研究了Fe掺杂对LSGM8282性能的影响.结果表明,Fe掺杂使LSGM8282离子的电导率由3.62×10-2S/cm提高到5.21×10-2S/cm,致密度由95.13%提高到97.93%.由此可见,Fe的掺杂使LSGM8282的各种性能均得到一定提升,LSGMF5比LSGM8282更适合作中温SOFC电解质材料.     

Improving SOFC performance with BCFN-YDC porous layer on cathode surface

正Ba_(1.0)Co_(0.7)Fe_(0.2)Nb_(0.1)O_(3-δ)-Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(2-δ)(BCFN-YDC)porous layer were coated on the cathode of Ni-YSZ│YSZ│GDC│BCFN single cell by screen printing.X-ray diffraction characterization showed that the coating materials were chemical stabilityduring the operating temperature range.The effect of BCFN-YDC porous layer on cathode     

Gd_2O_3掺杂量对Ce_(1-x)Gd_xO_(2-δ)电解质导电性能的影响

在500～700℃时,Gd_2O_3掺杂CeO_2具有较高的离子电导率,从而被广泛应用于中温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)中。但在SOFC运行时,在电池的阳极侧Ce~(4+)会被还原成Ce~(3+),产生电子泄露现象,从而造成SOFC电池性能的衰减。采用溶胶-凝胶法成功制备Ce_(1-x)Gd_xO_(2-δ)(x=0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,摩尔分数)固体电解质,研究不同Gd~(3+)掺杂量对GDC电解质总电导率和电子电导率的影响,同时对总电导率、电子电导率与温度、氧分压之间的关系进行分析。结果表明:测试温度为750℃、Gd~(3+)掺杂量为0.20时,GDC电解质的总电导率最大,达到8.59×10~(-2) S·cm~(-1);电子电导率随着Gd~(3+)掺杂量的增大而降低,当Gd~(3+)掺杂量为0.10、测试温度为750℃时,GDC电解质的电子电导率最大,为6.47×10~(-4) S·cm~(-1)。Gd_2O_3掺杂量为0.20的GDC电解质具有最高的总电导率和较小的电子电导率,从而突显出最高的离子电导率。     

固体氧化物燃料电池La_xSr_(2-3x/2)Fe_(1.5)Ni_(0.1)Mo_(0.4)O_(6-δ)阳极性能研究（英文）

本研究利用固相反应法合成了一系列镧取代La_xSr_(2-3x/2)Fe_(1.5)Ni_(0.1)Mo_(0.4)O_(6-δ)(La_xSFNM,x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)钙钛矿陶瓷材料,并研究其作为固体氧化物燃料电池阳极的电化学性能。X射线衍射(XRD)测试表明合成的粉末具有立方钙钛矿结构。在高温下利用氢气还原LaxSFNM样品,发现其晶粒表面析出纳米尺度的Fe-Ni合金颗粒,并且偏析纳米颗粒的密度随着La~(3+)掺杂量的增加而显著降低。在对称电池阻抗测试中,随着La~(3+)掺杂量的增加,阳极极化阻抗逐渐降低,掺入量为0.3时阻抗达到最小值。La_(0.3)SFNM对称电池在750℃下极化阻抗仅为0.16W·cm~2,进一步增加掺杂量时,La0.4SFNM对称电池极化阻抗增加至0.17W·cm~2。La_(0.3)SFNM材料良好的电极反应催化活性源于适当分布的Fe-Ni合金纳米偏析颗粒与LaxSFNM陶瓷基体的共同作用。利用流延法制备一系列以LaxSFNM为阳极、SmBa0.5Sr0.5Co2O6为阴极、LSGM为电解质的单电池,使用氢气作为燃料时,La~(3+)掺杂量x=0.3的单电池表现出最高的功率密度,在750、650和550℃时峰值功率密度可达1.26、0.90和0.52W·cm~(–2)。上述结果表明,La_(0.3)Sr1.55Fe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ可以用作高性能SOFC阳极催化剂。     

LSCF阴极材料A位组成变化对氧离子传输能力及SOFC电性能的影响

采用络合燃烧法制备了两种组成不同的阴极材料La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)和La_(0.54)Sr_(0.44)Co_(0.2)Fe_(0.8)-O_(3-δ),并组装成单元电池,研究了阴极材料A位组成变化对其离子导电能力和固体氧化物燃料电池电性能的影响。研究结果表明增加A位的Sr含量并降低La含量,同时使A位缺位可显著提高其氧离子电导率,从而降低阴极的极化电阻,提升电池的电性能。其机理在于A位组成发生上述变化可以在材料中引入更多的氧空位,同时由于晶胞体积增大,氧空位的活动能力增强,从而使得氧离子在材料内部更容易迁移。     

浸渍LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3-δ)纳米颗粒对Zr_(0.84)Y_(0.16)O_(2-δ)-La_(0.8)Sr_(0.2)Cr_(0.5)Fe_(0.5)O_(3-δ)透氧膜性能的影响

采用流延–共压–共烧结法制备了具有多孔|致密|多孔Zr_(0.84)Y_(0.16)O_(2–δ)-La_(0.8)Sr_(0.2)Cr_(0.5)Fe_(0.5)O_(3–δ)(YSZ-LSCF)结构的透氧膜和多孔YSZ-LSCF|致密YSZ-LSCF|致密YSZ|致密YSZ-LSCF|多孔YSZ-LSCF结构的固体氧化物燃料电池。采用浸渍法在多孔层内壁上沉积了具有高催化活性的LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3–δ)(LNF)纳米颗粒,随着LNF浸渍量的提高,会在多孔层内壁上形成连续的导电网格,增加电化学反应活性位点,进而显著改善电极性能。当LNF浸渍量为12wt%时,电极性能达到最优,在800℃时阴极和阳极极化阻抗分别为0.26和0.08?·cm~2,在空气/CH_4梯度中氧渗透速率为7.6 mL/(cm~2·min),比未浸渍前提高了14倍。阻抗谱分析表明空气侧氧还原反应中的电荷转移反应是氧渗透过程的速率控制步骤。     

低温水热合成制备Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)电解质粉体

采用水热合成方法制备了Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)电解质材料,水热合成的温度范围为120~180℃。使用X射线衍射、扫描电镜及交流阻抗谱技术,分别表征了电解质粉体及电解质粉体的烧结样品。研究发现,电解质粉体的晶粒尺寸在13 nm左右,在140℃合成的Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)粉体具有更好的烧结性能和更高的离子电导率。     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Pr_(2-x)Sr_xCoO_(4+δ)的制备及性能研究

采用固相反应法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料Pr2-xSrxCoO4+δ(x=0.8,1.0,1.2).通过XRD、SEM、热膨胀法、直流四探针法、交流阻抗谱法和循环伏安法对该体系材料的晶体结构、热膨胀系数、电导率和电化学性能进行了研究.结果表明,合成的粉体均形成了单相K2NiF4结构,Pr0.8Sr1.2CoO4+δ与电解质材料Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)在1100℃空气气氛下混合烧结,未生成杂相.材料的热膨胀系数随着Sr含量的增加而升高.800℃时样品的电导率均大于100S/cm.随着Sr含量的增加,极化电阻减小,Pr0.8Sr1.2CoO4+δ在空气中的极化电阻最小,700℃为0.29Ω·cm2。     

Fabrication and optimization of La_(0.4)Sr_(0.6)Co_(0.2)Fe_(0.7)Nb_(0.1)O_(3-δ) electrode for symmetric solid oxide fuel cell with zirconia based electrolyte

La_(0.4)Sr_(0.6)Co_(0.2)Fe_(0.7)Nb_(0.1)O_(3-δ)(LSCFN)was applied as both anode and cathode for symmetrical solid oxide fuel cells(SSOFCs)with zirconia based electrolyte.The cell with LSCFN electrode was fabricated by tape-casting and screen printing.Fabrication process was optimized firstly by comparing co-sintering and separate-sintering of electrode and electrolyte.To further improve the LSCFN electrode properties,oxygen ionic conductor of Gd_(0.1)Ce_(0.9)O_(2-δ)(GDC)was added into the LSCFN electrode.The preferred composition of LSCFN-GDC composite electrode was found to be 1:1 in weight ratio with polarization resistance of 0.16Ωcm~2at 800~℃.The maximum power densities of LSCFN-GDC||GDC/YSZ/GDC||LSCFN-GDC tested in H_2and CH_4with 3%H_2O were 395 m W cm~(-2)and 124 m W cm~(-2)at 850~?C,respectively,which were much higher than that of LSCFN||GDC/YSZ/GDC||LSCFN cells at same condition,possibly due to the extension of the triple phase boundary induced by the addition of GDC.The cell showed reasonable stability using H_2and CH_4with 3%H_2O as fuels and no significant power output degradation was observed after total 200 h operation.     

固体氧化物燃料电池阴极材料La_(0.7)Sr_(0.3)FexCo_(1-x)Me_(0.1)O_(3-δ)的制备与性能

采用溶胶-凝胶法制备La_(0.7)Sr_(0.3)FexCo_(1-x)Me_(0.1)O_(3-δ)(x=0.8、0.7,Me=Cu、Ni、Mn)系列阴极材料,通过热重-差热分析(TG-DTA)、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研究结果表明,不同成分的干凝胶在1000℃煅烧时,全部形成钙钛矿相,并且不同成分的阴极材料与电解质SDC在煅烧的过程中未发生反应,具有良好的化学稳定性。采用直流四电极法测试了阴极材料La_(0.7)Sr_(0.3)FexCo_(1-x)Me_(0.1)O_(3-δ)系列的电导率,结果表明,在测试温度400～800℃条件下,阴极材料La_(0.7)Sr_(0.3)FexCo_(1-x)Me_(0.1)O_(3-δ)系列具有较高的电导率,其中La_(0.7)Sr_(0.3)FexCo_(1-x)Me_(0.1)O_(3-δ)样品具有最高的电导率,在800℃时电导率达到了691.71S/cm。     

固体氧化物燃料电池阴极材料La_(0.8)Sr_(0.2)Cu_(1-x)Co_xO_(2.5-δ)的制备和性能研究

为探索适于中温条件下使用的固体氧化物燃料电池的阴极材料,采用柠檬酸-硝酸盐燃烧合成法制备了La0.8Sr0.2Cu1-xCoxO2.5-δ(x=0～0.4)粉体。利用X-射线衍射(XRD)技术对粉体的性能进行了表征,XRD结果表明,经800℃焙烧的粉体的对称性较高,已形成钙钛矿结构。采用直流四电极法测试La0.8Sr0.2Cu1-xCoxO2.5-δ试样的电导率,测试温度范围为100～800℃,试样的电导率ln(σT)与1/T之间呈很好的线性关系,说明La0.8Sr0.2Cu1-xCoxO2.5-δ在测试温度范围内服从小极化子导电机制。Co掺杂量对试样的电导率和电导活化能有着明显的影响,当Co掺杂量为0时,La0.8Sr0.2CuO2.5-δ的电导率最高,电导活化能最小。     

对称固体氧化物燃料电池电极材料Sm0.9Pr0.1FeO3-δ的制备及性能研究

采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法合成了Sm_(0.9)Pr_(0.1)FeO_(3-δ)(SPF)粉体。以YSZ为电解质,SPF同时作为阴极和阳极,构建了对称固体氧化物燃料电池SPF|YSZ|SPF。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,热膨胀仪评估材料的热膨胀系数,用扫描电子显微镜观察电池的断面微观结构,用自组装的测试系统评价电池输出性能。结果表明,合成的SPF粉体呈钙钛矿结构,且在还原条件下仍保持不变,与电解质YSZ间有良好的化学及热稳定性;800℃时空气及氢气气氛下的电解质|电极间的极化阻抗分别为0.15和15.80Ω·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SPF|YSZ|SPF输出功率密度为168mW/cm2。结果显示SPF是对称固体氧化物燃料电池良好的候选电极材料。     

掺碱土金属的双稀土铬酸盐(Pr0.5Nd0.5)0.7M0.3CrO3-δ(M=Sr, Ca)用于SOFC连接材料

采用EDTA-柠檬酸法合成粉体,在1 400℃空气中烧结制备可用作固体氧化物燃料电池(SOFC)连接材料的两种掺碱土金属的双稀土铬酸盐(Pr_(0.5)Nd_(0.5))0.7Sr_(0.3)CrO_(3-δ)(PNSC)和(Pr_(0.5)Nd_(0.5))0.7Ca_(0.3)CrO_(3-δ)(PNCC)复合稀土,借助粒度分析仪、热膨胀仪、X射线衍射仪、扫描电镜、四端子测量仪等对连接材料的粉体粒度、致密度、断面微结构、烧结性能、导电性能以及热膨胀性能进行了分析。结果表明,PNCC具有更优的烧结性能,致密化烧结温度区间为900~1 030℃,而PNSC的烧结收缩发生在1 250℃以上。PNCC在1 400℃烧结4h达到97.2%的高致密度,而PNSC致密度只有76.5%,烧结性能与烧结过程中出现的CaCrO4或SrCrO4相有关。材料均遵从小极子导电机理,850℃下PNCC和PNSC的电导率分别达到50.4S·cm~(-1)和40.9S·cm~(-1)。PNCC的热膨胀系数为9.8×10-6 K-1,与YSZ电解质接近。因此,PNCC各项性能优于PNSC,是一种性能优良的固体氧化物燃料电池(SOFC)连接材料。