固体氧化物燃料电池阳极积碳的研究进展

从阳极材料改性和工作条件优化等方面综述抑制固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极积碳的研究进展。在阳极材料改性方面,可以改性Ni基阳极材料或开发Cu基等抗积碳阳极,替代传统Ni基材料,解决积碳问题。在工作条件优化方面,抑制积碳的重要手段有:提高水碳比,适当增加燃料中H2、CO2含量,提高电池工作时的电流密度,合理选择工作温度。     

阳极支撑固体氧化物燃料电池的制备及性能

利用离心法成膜工艺在多孔Ni-YSZ阳极基体上制备8%(摩尔分数)YSZ电解质层,在1400℃共烧结,得到致密的YSZ膜和多孔结构的阳极。用苷氨酸-硝酸盐燃烧法合成超细阳极与阴极材料。其中,NiO-YSZ复合粉体用于阳极,La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF)和30%(质量分数)Ce0.9Gd0.1O1.95(GDC)复合材料用作阴极。以氢气为燃料,研究了500～800℃时Ni-YSZ阳极支撑体固体氧化物燃料电池(SOFC)单电池的性能。结果表明在500℃时电池开路电压(OCV)达1.10V,800℃时短路电流密度达1113mA/cm2,最大比功率为296mW/cm2。通过交流阻抗图谱分析,认为电解质欧姆电阻是影响电池性能的主要因素。     

Ni/Ni-GDC双层阳极支撑型IT-SOFC性能研究

采用硝酸盐-柠檬酸溶胶-凝胶低温自蔓延燃烧法制备GDC粉末,用共压法制备了Ni O-GDC单层阳极、Ni O/Ni O-GDC双层阳极及其单电池,并测试了其性能。研究结果表明:经H2还原后,Ni/Ni-GDC双层阳极外层为多孔结构,由粒径较大的Ni粒子团形成了稳定的电子电导通道及燃料通道;内层孔隙较小、较少,Ni均匀分布于GDC构成的支撑骨架中。Ni/Ni-GDC双层阳极的孔隙率及电导率都高于Ni-GDC单层阳极,从450~700℃,其电导率比Ni-GDC单层阳极都稳定高出15%~20%。单电池的测试结果表明:Ni/Ni-GDC双层阳极支撑单电池在700、650、600℃的最大功率密度分别为0.383、0.329、0.204 W/cm2,比Ni-GDC单层阳极支撑单电池分别高出了8.95%、79.38%、84.76%。Ni/Ni-GDC双层阳极支撑单电池具有比Ni-GDC单层阳极支撑单电池更高的中温、特别是低温电化学性能。     

CuNi-GDC双金属阳极支撑的IT-SOFC制备及性能

采用柠檬酸低温自蔓延燃烧法制备了具有纳米尺度的Cu0.5Ni0.5O-GDC阳极粉末,利用差热分析、XRD对其物相进行了分析。研究了CuNi-GDC阳极片在氢气中还原前后的孔隙率和微观组织,对其电导率进行测试,并研究了CuNi-GDC阳极支撑的电池性能。结果表明:通过柠檬酸低温自蔓延燃烧法可以在较低的温度下合成出高催化活性的纳米粉末,CuNi-GDC阳极片还原后孔隙率达到了31.08%;CuNiO-GDC阳极片在空气中的电导率较低,导电活化能为39.494 4 kJ/mol,在H2气氛中的电导率大大提高,导电活化能为3.690 6 kJ/mol,650℃的电导率达到了209.299S/cm。以CuNiO-GDC双金属阳极支撑的单电池在650℃电池的开路电压为0.7 V,最大输出功率为0.278 W/cm2,短路电流密度为1.452 A/cm2。     

松木屑及其热解产物在熔融锡阳极固体氧化物燃料电池中的电化学特性

为了探究固体氧化物燃料电池（SOFC）阳极熔融锡对生物质热解特性及电化学参数的影响,选择松木屑为研究对象,测试了松木屑及其热解气液产物在熔融锡阳极固体氧化物燃料电池（Sn-SOFC）中的电化学性能。结果表明:熔融锡使得松木屑热解气中H2的体积分数提升约130.1%,而含碳气体（CO、CO2、CH4）体积分数下降了40.4%;相比于传统Ni/YSZ阳极,松木屑及其热解焦在锡阳极阻抗提高可达45%,导致在锡阳极初始电流密度降低到0.243 A/cm2;对于松木屑气液产物,由于其在熔融锡中溶解度较低,导致SnO2在阳极积累,放电电流密度衰减速度可达1.922×10–5 A/(cm2·s),经扫描电子显微镜（SEM）及能量色散X射线谱（EDS）检测发现,积碳悬浮于熔融锡上层,因此避免了对阳极层的破坏。     

天然气燃料电池中双层阳极Ni-SDC的性能

采用干压方法制备双层阳极支撑的以BCY20(BaCe0.8Y0.2O3-δ)为电解质的固体氧化物燃料电池.双层阳极的质量分数分别为60% NiO 40% SDC(Ce0.7Sm0.2O2-δ)和30% NiO 70% SDC.阴极采用质量分数分别为85% LSCF(La0.9Sr0.1Co0.2Fe0.8O3-δ) 15% GDC(Ce0.8Gd0.2O2-δ)复合阴极.在400～600 ℃的范围内,用天然气为燃料气,氧气为氧化气,50℃为间隔,测试并比较了该电池与单层阳极支撑电池(阳极质量分数为50% NiO 50% SDC、阴极为85%LSCF 15% GDC复合阴极、电解质为BCY20)的性能.用扫描电镜(SEM)分别分析单电池阳极、阴极及电解质的型貌.实验表明:电池具有良好的微结构,在测试条件下双层阳极支撑电池具有更优的性能.600 ℃测得电池最大比功率为55 mW/cm2,电流密度为253 mA/cm2.     

阳极对YSZ薄膜SOFC性能的影响

研究了两种阳极对YSZ薄膜固体氧化物燃料电池(SOFC)性能的影响.NiO-YSZ阳极和NiO-SDC-YSZ阳极支撑的YSZ薄膜电池,在800 ℃时的开路电压分别为1.09 V和0.87 V,最大功率密度分别为0.86 W/cm2和0.16 W/cm2.NiO-SDC-YSZ阳极电池的电极总阻抗比NiO-YSZ阳极电池的高出58%.     

锥管状LSGM电解质支撑的SOFC的研制

以甘氨酸-硝酸盐燃烧法合成的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85(LSGM)为原料,阿拉伯树胶为分散剂,采用注浆成型法制备长度约为10 mm、壁厚为0.2 mm、大口端直径约为8.5 mm的致密锥管状LSGM电解质管。以质量比为7∶3的Ni O-Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC)、Sm0.5Sr0.5Co O3(SSC)-GDC分别为阳极、阴极材料,组装单体固体氧化物燃料电池(SOFC)。以加湿氢气(含3%H2O)为燃料、空气为氧化剂,电池在600℃时的最大输出功率密度约为87 m W/cm2。交流阻抗谱分析表明:影响电池性能的主要因素是电解质的欧姆电阻。     

Sol-gel法合成La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ电解质及其电池性能研究

采用溶胶-凝胶法制备了中温固体电解质镓酸镧La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)粉体材料.差式扫描量热重分析(DSC-TGA)以及X-射线粉末衍射(XRD)证实经1 250℃热处理3h后,LSGM粉体具有单一ABO3钙钛矿结构;能量散射X射线谱(EDX)检测结果表明粉体没有其他杂质元素;扫描电子显微镜法(SEM)和激光散射粒度分布分析表明平均粒径为0.9μm.采用LSGM作为电解质,阳极为Ni/GDC材料,阴极为LSCM/GDC材料,并用离心法成膜工艺组装成SOFC单电池,测量其输出特性和阻抗谱等性能.SEM表明在阳极支撑体上制备的37 μm厚的LSGM电解质膜高温烧结后与阳极的接触良好.单电池在800℃的最大功率密度为0.89 W/cm2,电化学测试表明电池开路电压高于1.0 V,说明sol-gel法合成的LSGM可以成功地应用于SOFC的电解质.     

湿化学法制备LT-SOFCs材料及其性能研究

采用湿化学法制备了低温固体氧化物燃料电池(LT-SOFCs)阳极材料NiO、阴极材料LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)和电解质材料GDC(Gd0.1Ce0.9O1.95)粉体。X射线衍射(XRD)结果表明三种粉体成相良好,没有杂相存在。采用湿化学法合成的粉体成功制备了GDC膜电解质阳极支撑型固体氧化物燃料电池,并对单电池的电化学性能和稳定性进行了分析和研究。单电池在加湿氢气(3%H2O)燃料中,600℃下最大输出功率密度达384 mW/cm2,并在550℃下经历了约12 h的稳定性测试,输出电压恒定,电池稳定性良好。     

多层电解质型中温SOFC

采用柠檬酸法合成了Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC)、La0.45Ce0.55O2-α/2(LDC)、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85(LSGM)电解质材料,并制备了阳极负载型GDC-LSGM、LDC-LSGM和LDC-LSGM-LDC多层薄膜电解质单体电池,考察了单体电池的U-J特性和功率输出性能.结果显示:GDC-LSGM电解质电池没有电流产生;LDC-LSGM电解质电池最大输出功率密度最高,800℃时约为0.72W/cm2,但不稳定;LDC-LSGM-LDC多层电解质电池的开路电压最高,800℃时可达0.814 V.     

注浆成型法制备阳极支撑锥管状SOFC

采用简单经济的传统陶瓷制备工艺——注浆成型法制备锥管状阳极基底。将该基底在1000℃烧结4h后采用浆料喷涂法在其上制备致密的YSZ电解质膜,在1400℃下烧结4h。采用涂覆法制备锰酸锶镧(LSM)阴极,并组装成固体氧化物燃料电池(SOFC)单体。将该电池在氢气燃料(流量为100mL/min)和空气氧化剂的条件下测试。测得的最高电池开路电压为1.072V。850℃时最大比功率达到670mW/cm2,此时电池的总面积比电阻为1ΩW.cm2,欧姆面积比电阻仅为0.2ΩW.cm2。扫描电镜结果显示通过注浆成型法制备的阳极基底呈多孔状态,非常适合固体氧化物燃料电池对阳极的要求。     

掺杂炭黑的MO-SDC作固体氧化物燃料电池阳极

采用硝酸盐/柠檬酸溶胶-凝胶法制备混合氧化物MO-SDC(M=Cu,Ni,Co;SDC=Ce0.9Sm0.1O1.95).将导电炭黑均匀分散到MO-SDC中,将得到的材料作为阳极并采用共压法制备成单电池.与MO-SDC作阳极材料对比,导电炭黑的加入可以改善阳极材料的微结构,提高电池的电导率.单电池性能使用Ⅰ-Ⅴ测试仪进行测试,从曲线可以看到添加了1.5%(质量分数)导电炭黑的MO-SDC,在氢气作为燃料气体时,电池的比功率可以达到0.285 W/cm2.MO-SDC的焙烧温度同样影响着电化学性能,通过X射线衍射光谱法(XRD)以及Ⅰ-Ⅴ测试曲线确定在550 ℃焙烧1 h为最佳条件.     

百瓦级一体式再生燃料电池堆研究

对百瓦级一体式再生燃料电池堆(URFC)的电性能和燃料电池(FC)/水电解(W E)双模式循环稳定性进行测试研究。所研制的百瓦级URFC电池堆双模式工作电性能优良,循环性能稳定。燃料电池模式工作条件下:电流密度为500 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压0.789 V,输出功率236 W;电流密度为1 000 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压0.681 V,输出功率409 W。水电解模式工作条件下:电流密度为1 000 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压1.628V,产生标准状态下氢气的耗能量为4.26 kW h/m 3。电流密度为500 mA/cm 2时,URFC电池堆充放电循环电压效率为51.5%。单体电池电压方差和计算结果表明,在工作电流密度0～400 mA/cm 2的窗口区间内,单体电池电压具有相对最好的均匀一致性。在100 h/20次的FC/WE双模式循环试验中,URFC电池堆性能衰减平均为1.70%。     

固体氧化物燃料电池研究--10%Cu-Ce0.15Zr0.85O2作阳极材料

以10%Cu-Ce0.15Zr0.85O2为阳极、Pt为阴极和参考电极,组装了固体氧化物燃料电池(SOFC)单电池并进行了测试,考察了操作温度、甲烷流量等对电池性能的影响,发现提高操作温度以及在阳极材料中添加CeO2可以显著改善电池性能。升高温度,阳极极化曲线中的极限电流密度值随之上升;阳极中CeO2含量为10%时,功率最大值由未加时的4.10 mW/cm2增大至9.76 mW/cm2,对应的电流密度由12.22 mA/cm2增大至35.7 mA/cm2。甲烷的流量对电池开路电位有显著的影响,但当甲烷流量在18 mL/min以上时,其影响已十分微弱。     

半导体离子型纳米复合电解质材料GDC-LCNC的性能研究

制备了具备高离子电导率的半导体离子型纳米复合电解质材料GDC(Gd_(0.9)Sm_(0.1)O_(1.95))–LCNC(LiCo_(0.225)Ni_(0.7)Cu_(0.075)O_(3-δ)),并与纯GDC进行对比,研究了m(GDC)∶m(LCNC)对电池性能的影响。结果表明:纯GDC电解质材料电池性能最差,无电流;m(GDC)∶m(LCNC)为2∶1时,获得的复合电解质材料最大功率密度为223 mW/cm~2;m(GDC)∶m(LCNC)为3∶1时,复合电解质材料的综合性能最佳,且在定电压(0.45 V)时,短时(4 h)内电流密度无明显衰减。     

Ce_(0.8)M_(0.2)O_(2-δ)(M=Co,Fe,Mn)用于天然气中温SOFCs阳极的研究

采用溶胶-凝胶法合成了过渡金属掺杂的CeO2新型中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)阳极材料Ce0.8M0.2O2-δ(M=Co,Fe,Mn)(20 CDC、20 FDC、20 MDC).采用共压-共烧结法制备了以NiO-20 CDC、NiO-20 FDC、NiO-20 MDC复合阳极为支撑、以Ce0.8Gd0.2O2-δ(GDC)为电解质、以La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3-δ(LSCF)-GDC为复合阴极的单电池.利用XRD、SEM等方法对阳极材料进行了物相结构和微观形貌分析.在400～700℃范围内,以湿天然气(3%H2O)为燃料气、氧气为氧化气测试比较了三种电池的放电性能.结果表明:所制的20 CDC、20 FDC、20MDC粉体均为萤石型结构;在制备的电池中,(50%)NiO-20 CDC阳极材料具有良好的孔道结构,且具有最佳的电化学性能,在650℃时其最大电流密度为148.84 mA/cm2,最大比功率为30.91 mW/cm2.     

甲醇阳极制备工艺

对甲醇阳极的制备工艺进行了研究。通过对甲醇阳极不同的气体扩散层的研究,得出由碳黑和聚四氟乙烯(PTFE)形成的气体扩散层制成的电极电池性能最好,气体扩散层中PTFE的最佳含量为20%。通过甲醇阳极横断面的扫描电镜(SEM)与X射线散射图谱(EDS)分析,探讨了气体扩散层影响电池性能的原因。同时对碳纸支持层的影响也进行了研究。阴极空气近于大气压条件下,阳极Pt含量3.5mg/cm2,阴极Pt含量1.6mg/cm2,1mol/L甲醇浓度,电池温度60℃条件下,电池的开路电压为0.66V,0.4V时电池的电流密度为60mA/cm2,0.2V时电流密度为120mA/cm2。     

微米粉体制备阳极支撑的YSZ薄膜

采用微米级YSZ(摩尔分数8%Y2O3稳定的ZrO2)粉体在NiO/YSZ阳极支撑体上成功地制备了致密的电解质薄膜.对微米级YSZ粉体进行球磨处理,分析和讨论了球磨对YSZ粉体及薄膜性能的影响.用浆料旋涂法制得45μm厚的致密薄膜,电池700 ℃时开路电压(OCV)达到1.13 V.以氢气为燃料,以静态环境空气为氧化气体,单电池在700、750、800 ℃的最大比功率分别为221、364、528 mW/cm2.电池阻抗谱结果表明电池的性能主要由电极决定.     

LiCoxNi0.5-xMn1.5 O3.95 F0.05:5V锂离子电池正极材料

为改善锂锰氧化物的电化学特性,采用溶胶-凝胶法合成了钴、镍、氟复合掺杂型锂离子电池正极材料LiCoxNi0.5-x Mn1.5O3.95F0.05(x=0,0.1,0.25).XRD分析表明:该复合氧化物仍为尖晶石结构;电化学性能测试结果显示:当x取值0.1时,在3.5～5.1 V电压范围内以0.12 mA/cm2的电流密度进行充放电循环时,LiCo0.1 Ni0.4 Mn1.5O3.95 F0.05材料具有较好的循环特性,初始放电容量可达139 mAh/g.