燃烧法制备中温SOFC电解质及其电极材料

采用一种新的燃烧合成陶瓷粉体的方法——硝酸盐-柠檬酸盐燃烧法低温合成中温SOFC所有元件的初始粉体并组装成单电池，电池的电解质材料为Ce0.8Gd0.2O1.9，阴极材料为掺杂一定量固体电解质的La0.6Sr0．4Fe0.8Co0.2O3，阳极材料为固体电解质与NiO的复合材料。单电池的性能测试结果表明：单电池的输出电压和输出电流皆随其运行温度升高而增大，同时单电池的开路电压随温度升高而下降。以Ce0.8Gd0.2O1.9电解质材料为电解质的单电池在750℃的最大输出功率密度约为85mW／cm^2。     

燃烧法制备SOFC用Ni/YSZ阳极材料

以Y(NO3)3、Zr(NO3)4、Ni(NO3)2和有机燃料为原料,采用低温燃烧法制备了NiO/YSZ复合粉料,然后于800℃在H2中还原制备了Ni/YSZ阳极材料.研究了燃烧合成过程中氧化物与有机燃料的配比对反应产物的影响.结果表明当氧化物与燃料的比例为23时,低温燃烧后可成功合成结晶充分的NiO/YSZ粉体.对合成粉体的SEM、TEM观察以及制备的Ni/YSZ阳极材料的SEM观察结果表明,低温燃烧合成的NiO/YSZ粉体细小且两相混合均匀,颗粒粒径为0.5 μm～1 μm.与机械混合法相比,采用燃烧法合成粉体,干压成型制备的Ni/YSZ阳极材料,不仅Ni在YSZ基质中分布更均匀,而且金属陶瓷中的两相均形成了连续的网络结构.     

低温燃烧合成La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2．85固体电解质粉末

低温燃烧合成工艺结合了溶液法和高温自蔓延合成超细粉末工艺的特点，可以在较低的温度下引发化学反应，并利用反应自身的放热效应维持反应的继续进行。在硝酸盐．柠檬酸体系中用该工艺直接合成了比表面积超过120m^2／g的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85固体电解质超细粉末。研究了硝酸盐溶液起始浓度和pH值对产物性能的影响。     

中温SOFC复合阴极材料的制备及性能

在La0.7Sr0.3Co0.95Cu0.05O3-δ中掺入不同比例的Ce0.8Sm0.2O1.9制成中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)复合阴极材料,对其进行晶体结构表征和高温电导率、热膨胀系数和阴极过电位测试.结果表明,Ce0.8Sm0.2O1.9的掺入不但有效地降低了La0.7Sr0.3Co0.95Cu0.05O3-δ阴极材料的热膨胀系数,而且Ce0.8Sm0.2O1.9掺入量为10%(质量分数,下同)的样品,其电导率高于La0.7Sr0.3Co0.95Cu0.05O3-δ,并且它在相同过电位下其阴极电流密度也大于其他样品.以其为阴极的SOFC单电池,在850 ℃最大短路电流密度达511 mA/cm2,最大输出功率密度为106 mW/cm2.     

固体氧化物燃料电池的研究进展

回顾了固体氧化物燃料电池的发展历史以及目前发展状况。介绍了固体氧化物燃料电池的工作原理以及作为燃料电池的阳极、阴极、电解质和连接材料的选择依据。评述了分别应用于阳极、阴极、电解质以及连接材料的材料目前的研究状况和面临的一些问题。最后提出了固体氧化物燃料电池能够得以应用必须解决的一些瓶颈因素。     

流延法制备的SOFC阳极及其性能

研究了以流延法成型中温平板式固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)Ni-YSZ阳极基底金属陶瓷,并成功地制备出厚度为200-500μm的该金属陶瓷基底材料.在其中添加不同种类的成孔剂以增加孔隙率.对以该流延工艺制备的素坯及复合陶瓷的性能进行了研究,其中,素坯膜的热烧结性能通过热重-差示扫描分析进行了研究;复合陶瓷基体材料的孔隙率以阿基米德排水法进行了测试;并以扫描电子显微镜观察了其微观形貌.确定了NiO-YSZ基底材料的预烧及成瓷烧结温度范围.随着烧结温度的升高,孔隙率逐渐下降.其中,有机成孔剂和无机成孔剂在造孔性能方面还存在着某些方面的差异.     

低温SOFC复合电解质LSGM-碳酸盐的制备及性能

通过固相反应法、甘氨酸-硝酸盐燃烧法和聚丙烯酰胺溶胶凝胶法合成了La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(2.85)(LSGM)粉体,并与二元碳酸盐复合,制备了低温下具有高离子电导率和良好稳定性的新型LSGM-(Li/Na)_2CO_3复合电解质。研究了LSGM粉体制备方法和二元碳酸盐含量对复合电解质性能的影响。结果表明,LSGM-碳酸盐复合电解质存在电导跃迁温度,且在跃迁温度以上电导率明显提高,600和450℃时分别高达0.122和0.08 S·cm~(-1)。以LSGM-碳酸盐复合物为电解质的单电池表现了良好的性能输出,600和500℃时最高输出功率密度可达617和311 m W·cm~(-2)。同时,电池输出功率和开路电压(OCV)受LSGM形貌、尺寸和碳酸盐含量的影响,以碳酸盐含量为20%(质量分数)的复合物为电解质的单电池性能最佳。     

阳极组分对热喷涂制备SOFC输出特性的影响

针对传统管状与板块结构SOFC的特点,提出了集两种结构设计的优点为一体的金属陶瓷支撑管状结构SOFC,并采用低成本的火焰喷涂与等离子喷涂制备电池各结构层.采用3种不同成分与结构的阳极探讨了阳极结构对电池输出特性的影响,结果表明,阳极结构对电池运行时的极化产生显著影响,采用小颗粒的NiO与YSZ的复合粉末制备的阳极,可以有效增加阳极的三相界面,从而降低阳极极化,显著提高电池的输出功率密度,1000℃时可达到最大值0.57 W/cm2.这些结果为优化电池阳极结构层的设计与制备提供了依据.     

Ru-Ni-YSZ多维阳极在直接乙醇SOFC的应用研究

采用浸渍-自置换法,以Ru Cl3为添加剂,丙酮为表面活性剂,在阳极支撑SOFC的Ni-YSZ阳极上表面制备纳米Ru功能层,并制备Ru-Ni-YSZ||YSZ||Pd-Ag单电池。通过SEM,TEM,XRD对电极进行表征,发现Ru在Ni-YSZ阳极表面以及内部可以形成多维纳米花状催化层。通过测试不同沉积量和不同温度下纳米Ru层对单电池的电性能的影响。在750℃时,以乙醇为燃料,Ru沉积量为0.6%(质量分数)的燃料达到最高264 m W/cm~2。当Ru沉积量为0.4%时,燃料电池在700,750,800℃时,最大功率分别达到200、261和316 m W/cm2。在开路电压条件下,电池运行15h,没有出现下降和积碳现象。     

等离子喷涂制备固体氧化物燃料电池电解质涂层研究进展EI北大核心CSCD

等离子喷涂作为一种高性价比的涂层沉积工艺,在固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质制备方面比传统方式更灵活、高效,尤其在大面积电解质快速成形上,表现出良好的发展潜力。介绍SOFC的工作原理和研究趋势,综述电解质材料及等离子喷涂制备工艺的研究进展,指明等离子喷涂制备SOFC电解质涂层的发展方向。研究表明:氧化钇、氧化钪稳定的氧化锆是目前商业化应用最广泛的电解质材料,其他如氧化铈基及氧化铋基电解质还须解决还原气氛下价态变化问题,而镧锶镓镁氧化物和硅酸盐电解质则需解决成分和结构稳定性问题。在制备方面,传统湿化学法的高温烧结过程难以制备金属支撑型SOFC,磁控溅射和气相沉积等镀膜技术成本高、效率低,不适合电解质大规模生产。而等离子喷涂技术具有沉积效率高,对基体热输入小,可灵活调控涂层微观结构等优势。等离子喷涂SOFC电解质还存在较大探索空间,基于前期相关工作为后续中低温电解质制备及优化提供思路,随着电解质粉末成本下降及喷涂设备迭代升级,等离子喷涂技术有望在未来成为大规模高效制备SOFC电解质涂层的重要手段。     

EB-PVD制备SOFC电解质涂层的显微结构表征

采用大功率EB-PVD工艺在NiO-YSZ多孔基体上制备了20 μm厚的YSZ电解质涂层材料.SEM分析表明制备态涂层表面由1 μm～10 μm的晶粒组成并含有少量微米级的孔隙,涂层材料的断面SEM表明涂层致密并和基体结合良好.EPMA分析显示初始蒸发阶段制备的涂层材料内Y,O元素分布均匀,Zr元素的分布存在一个梯度.XRD分析表明:涂层为典型的立方相结构并表现出择优取向特征.     

EB-PVD制备SOFC电解质涂层的显微结构表征

采用大功率EB-PVD工艺在NiO-YSZ多孔基体上制备了20μm厚的YSZ电解质涂层材料。SEM分析表明制备态涂层表面由1μm～10μm的晶粒组成并含有少量微米级的孔隙，涂层材料的断面SEM表明涂层致密并和基体结合良好。EPMA分析显示初始蒸发阶段制备的涂层材料内Y，O元素分布均匀，Zr元素的分布存在一个梯度。XRD分析表明：涂层为典型的立方相结构并表现出择优取向特征。     

超重力下合成Al2O3/YSZ复合陶瓷的组织与性能

通过在铝热剂中引入ZrO2(4Y)粉末,进行超重力下燃烧合成,制备出Al2O3/YSZ系列成分自生复合陶瓷板材,并对陶瓷结构转变与力学性能进行了研究.共晶成分自生复合陶瓷基体主要是以亚微米ZrO2纤维镶嵌于Al2O3上的共晶团构成,亚共晶成分自生复合陶瓷因发生离异共晶生长,其基体为ZrO2相分布于其边界上的Al2O3晶构成,过共晶成分自生复合陶瓷基体则为ZrO2正方相细小球晶构成.共晶成分的自生复合陶瓷因共晶团基体上高残余压应力与小尺寸共晶团边界,其硬度达至最高值16.7 GPa;而过共晶成分的自生复合陶瓷因ZrO2正方相球晶相变增韧及相变诱发微裂纹增韧,其断裂韧度达至最大值14.6 MPa·m(1)/(2).     

低温燃烧/水热法制备纳米羟基磷灰石的研究

以Ca(NO3)2·4H2O,(NH4)2HPO4和柠檬酸为主要原料,浓硝酸为溶剂,NH4NO3为助燃剂,根据羟基磷灰石的化学组成及推进燃烧化学理论计算原料的配比,采用低温燃烧(LCS)/水热法快速制备出纳米羟基磷灰石粉体.利用XRD和扫描电子显微镜对燃烧产物和经水热处理后的粉体相组成及颗粒形貌进行了研究.结果表明,Ca(NO3)2·4H2O,(NH4)2HPO4及柠檬酸的最佳摩尔比为532.2,低温燃烧法制备的前驱体粉末,主晶相为纳米级的HAP,经水热处理1 h后即可得到高纯度的粒度为40 nm～80 nm的HAP粉末.水热处理2 h后HAP的结晶度提高,颗粒形状以柱状为主,颗粒直径50nm～80nm,长度100 nm～130nm.     

固体氧化物燃料电池电解质和电极材料的研究进展

固体氧化物燃料电池（SOFC）具有能量转换率高、比能量高、效率高、低排放、燃料可以连续供给等一系列优点,因而受到人们的普遍关注。本文对SOFC的电解质和电极材料的研究进展做了介绍,并指出了其研究中遇到的问题和今后发展的方向。     

电磁搅拌对燃烧合成CuCr合金组织的影响

以CuO、Cr2O3、Al粉为原料采用铝热-电磁搅拌工艺制备出CuCr合金。分析了电磁搅拌对CuCr合金微观结构的影响机理。考察了电磁搅拌方式、搅拌时间、模具预热温度对合金试样结构的影响。试验结果表明：电磁搅拌可以有效的抑制枝状晶的生长，细化晶粒，均匀合金中的CuCr分布，提高合金的性能。最佳搅拌时间为7min左右，搅拌时间过短不利于晶粒的细化，过长容易造成分偏析。模具预热温度在500—600℃时最佳，预热温度过高，晶粒比较粗大，而且分布不均匀。     

Mg(2-x)AlxNi的燃烧合成及其电极性能

采用燃烧合成法合成了三元镁基储氢合金Mg2-xAlxNi(x=0.1~0.5),XRD衍射研究表明合成产物中出现了具有Ti2Ni型立方结构的新相,SEM结果显示合金表面存在大量缺陷.Al元素部分替代Mg对Mg2Ni电化学性能影响的研究表明:Mg2-xAlxNi合金的电化学容量和循环寿命明显优于无Al的Mg2Ni,这归因于新相Mg3AlNi2的结构特点及形成的Al2O3保护层.此外,对合成产物的进一步的机械研磨有助于改进合金的活化行为及电极容量,但无助于循环能力的提高.     

燃烧合成法制备多孔Ti-Ni形状记忆合金的研究

使用Ti、Ni纯元素粉末，用燃烧合成技术制取了近等原子比的多孔Ti-Ni形状记忆合金，一种理想的人造骨骼材料。通过选择合适的预热温度及各种工艺参数，得到了孔隙度达70％，开孔率95％以上，孔径100～300μm主，孔洞均匀分布，三维相互连通的样品。应用X-线衍射、SEM扫描分析了产物相组成，除了TiNi母相外，还有少量的Ti2Ni和Ni3Ti中间相。结果表明，燃烧合成技术能制取均匀多孔的Ti-Ni形状记忆合金，且工艺过程简单，节省能源，是一种比较理想的材料制备方法。