LSGMC5含量对于二甲醚燃料电池复合Ni-Fe阳极性能的影响

用浸渍法制备了掺杂不同质量分数的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3-δ (LSGMC5)粉末的Ni8-Fe2-LSGMC5复合阳极, 并采用交流阻抗和直流极化技术考察了以氢气和二甲醚为燃气时该复合阳极的电化学性能及相应电池的功率输出特性. 结果表明, 在电极中掺入LSGMC5 粉末, 能显著地改善电极的形貌和电极/电解质界面结构, 减小欧姆电阻和极化电阻. 电极中LSGMC5 粉末含量对于氢气及二甲醚电化学氧化性能的影响显著不同. 以二甲醚为燃气时, 电极极化电阻随LSGMC5 粉末含量的增加而减小, 其中LSGMC5 掺杂量为30%的复合阳极具有最高的电化学性能, 相应电池在1073、1023、973 K 时的输出功率分别为1.00、0.61、0.40 W·cm-2; 以氢气为燃气时, LSGMC5 掺杂量为20%的复合阳极具有最好的电化学性能, 随着LSGMC5 掺杂量的进一步增加, 电极极化电阻显著增大.     

Cu-CeO_2基阳极直接甲烷SOFC的制备及其性能

采用干压法制备了NiO-YSZ(氧化钇稳定氧化锆)/(ZrO2)0.89(Sc2O3)0.1(CeO2)0.01(10ScSZ-1CeO2)半电池,经还原-酸溶法除去NiO制备了多孔YSZ负载致密10ScSZ-1CeO2双层结构,通过浸渍法在多孔YSZ阳极基体中引入Ce、Cu的硝酸盐制备Cu-CeO2-YSZ复合阳极,结合La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)阴极构建了Cu-CeO2-YSZ/10ScSZ-1CeO2/LSCF单元电池.通过X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)等手段对电池单元的物相、微观结构进行表征.结果表明:还原-酸溶法制备的YSZ/10ScSZ-1CeO2双层结构的YSZ基体具有孔隙率高(64%)、孔洞连通性好的微观结构,有助于采用浸渍法引入Ce、Cu硝酸盐;10ScSZ-1CeO2电解质薄膜致密无缺陷,厚约30μm.电性能测试表明所构建单元固体氧化物燃料电池(SOFC)具有良好的电性能输出,在650℃以湿H2和CH4为燃料时的最大功率密度分别为0.29和0.09W·cm-2;在700℃以湿H2和CH4为燃料时的最大功率密度分别达到0.48和0.21W·cm-2.优良的电性能主要归功于小的电解质内阻和阴极极化电阻以及良好的阳极微观结构.     

复合阳极共烧制备致密La0.7Ca0.3Cr0.97O3-δ连接体薄膜的研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)陶瓷连接材料的低成本薄膜化制备是现在公认的技术难题。为了改善传统NiO/YSZ阳极与LaCrO3基连接材料的共烧匹配性能,将化学性质稳定的Y0.7Ca0.3Cr0.9Zn0.1O3-δ(YCCZ)连接材料创造性地引入到NiO/YSZ阳极中,制备NiO/YSZ/YCCZ(6∶4∶2,m/m/m)三相复合阳极,并进行烧结特性、微观结构、电导率、热膨胀系数等系列性能的对比测试,结果表明NiO/YSZ/YCCZ新型复合阳极具有优良的综合性能。以NiO/YSZ/YCCZ为支撑体,采用浆料浸渍法制备湿膜,1 400℃空气条件下共烧,成功制备致密La0.7Ca0.3Cr0.97O3-δ连接体薄膜。     

薄膜型中温固体氧化物燃料电池 (SOFC)研制及性能考察

用一种廉价的湿化学方法 ,在Ni_YSZ阳极基膜上制备出致密的YttriaStabilizedZirconia(YSZ)薄膜 .薄膜的厚度约为 10 μm ,致密均匀 ,无裂纹等缺陷 .以Ni_YSZ阳极基膜 ,YSZ薄膜和锶掺杂锰酸镧阴极 (LSM )组装的SOFC单电池 ,在 80 0℃下功率密度达 0 1W /cm2 .研究分析表明 ,YSZ薄膜的IR降 (包括电极 /YSZ薄膜的接触电阻 )较小 ,不是影响电池性能的主要因素 ,大的阳极过电位是影响电池性能的主要因素 .     

Cu-CeO2基阳极直接甲烷SOFC的制备及其性能

采用干压法制备了NiO-YSZ(氧化钇稳定氧化锆)/(ZrO2)0.89(Sc2O3)0.1(CeO2)0.01(10ScSZ-1CeO2)半电池, 经还原-酸溶法除去NiO制备了多孔YSZ负载致密10ScSZ-1CeO2双层结构, 通过浸渍法在多孔YSZ阳极基体中引入Ce、Cu的硝酸盐制备Cu-CeO2-YSZ复合阳极, 结合La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)阴极构建了Cu-CeO2-YSZ/10ScSZ-1CeO2/LSCF单元电池. 通过X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)等手段对电池单元的物相、微观结构进行表征. 结果表明: 还原-酸溶法制备的YSZ/10ScSZ-1CeO2双层结构的YSZ基体具有孔隙率高(>64%)、孔洞连通性好的微观结构, 有助于采用浸渍法引入Ce、Cu硝酸盐; 10ScSZ-1CeO2电解质薄膜致密无缺陷, 厚约30 μm. 电性能测试表明所构建单元固体氧化物燃料电池(SOFC)具有良好的电性能输出, 在650 ℃以湿H2和CH4为燃料时的最大功率密度分别为0.29和0.09 W·cm-2; 在700 ℃以湿H2和CH4为燃料时的最大功率密度分别达到0.48 和0.21 W·cm-2. 优良的电性能主要归功于小的电解质内阻和阴极极化电阻以及良好的阳极微观结构.     

一种增加SOFC阳极三相反应区的方法

近年来 ,固体氧化物燃料电池 ( SOFC)以其高效、低污染的特性 ,越来越受到国内外的普遍重视 .SOFC由阴极、阳极和夹在其间的电解质组成 ,其中阳极性能的优劣对整个电池的性能有着相当大的影响 .目前 ,传统的阳极材料大都选用 Ni+ YSZ[1～ 4 ] .Murray等 [5] 最近报道了在阳极与电解质之间附加一层具有混合导电性能 (同时具有较高的离子导电率和电子导电率 )的 YDC( 1 5% Y2 O3+ 85%Ce O2 )后 ,可大大降低阳极与电解质之间的界面阻抗 ,增加三相反应区和氧离子流通 ,从而提高电池的输出功率 .我们认为 ,如果能以掺杂的复合阳极代替附…     

中温天然气燃料电池复合阳极NiO-La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ-Ce0.8Sm0.2O2-δ的制备和性能研究

采用共压-共烧结的方法制备了以NiO-La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ-Ce0.8Sm0.2O2-δ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)-Ce0.8Gd0.2O2-δ(GDC)为复合阴极的单电池,在400～700 ℃范围内,以加湿天然气(3%H2O)为燃料气,氧气为氧化气,测试了电池的放电性能.利用XRD、SEM、EDX等手段对复合阳极进行结构、化学相容性、微观型貌和碳元素分析.分析结果表明,符合阳极具有较好的化学相容性,且阳极和阴极具有较好的孔隙、孔道结构.EDX测试结果表明有少量的碳沉积.在600℃进行了电池的稳定性测试.测试结果表明,该电池在13 h的测试过程中功率无明显衰减,具有较好的稳定性.复合阳极单电池在600℃得到最大电流密度,为215.49 mA·cm-2;最大功率流密度为44.85 mW·cm-2.     

锰酸镧和氧化钇稳定的氧化锆复合阴极的研究

用交流阻抗,强极化和电导测量等方法考察了一系列不同氧化钇稳定氧化锆(YSZ)含量的锶掺杂锰酸镧(LSM)复合阴极的电化学性能,发现随着掺入YSZ量的增大,阴极性能大幅度提高,当YSZ质量分数为40%时,电极性能最好,电化学极化电阻约为1.18Ω/cm².通过分析发现,YSZ的掺杂使电极反应过程的控制步骤发生了变化.同时发现,随着YSZ含量的增加,电极的接触电阻增大.以Pt为电流收集层和40%的YSZ+LSM的复合电极形成的二层电极可有效地消除接触电阻,进一步提高了复合电极的性能.在1223K极化电阻从1.18Ω/cm²下降到0.41Ω/cm².     

中温固体氧化物燃料电池NiO/YSZ阳极的还原过程

以氢气程序升温还原(H2-TPR)为手段,研究了中温固体氧化物燃料电池烧结NiO/YSZ阳极的还原过程,并通过对电池开路电位和阻抗的原位监测考察了电池中阳极的还原过程.H2-TPR结果表明,阳极烧结温度升高,阳极中的NiO变得难以还原,但当温度提高到1 500℃时,NiO还原峰的峰温降低.阳极NiO含量越高,NiO越容易被还原.这是由于烧结过程中NiO颗粒长大和NiO/YSZ界面分离共同作用的结果.电池原位还原过程中开路电位的变化表明,具有高NiO含量的阳极还原较慢.这主要是由于高NiO含量的阳极具有较大的收缩率和大的NiO粒子,导致还原初期产生的大量H2O不能被及时排出,从而抑制了还原过程.电池还原过程中交流阻抗谱的变化表明,50%NiO/YSZ阳极具有最稳定的还原过程.30%和70%NiO/YSZ电池都有一个极化电阻逐渐增大的过程,前者的极化电阻在还原600 min后逐渐稳定,而后者并不能稳定.     

NiO晶粒尺寸对SOFC阳极电化学性能的影响

用溶胶凝胶法合成了具有高比表面积的纳米粒子NiO,用固相合成法制备了NiO-YSZ复合材料.阻抗谱测试表明,含纳米尺寸NiO的复合材料的极化电阻更小,电导率更高.以质量分数为55%的NiO-YSZ为阳极材料,并将其封接成单电池.结果表明,含纳米尺寸NiO的复合阳极制成的单电池,其输出功率更高,短路电流更大.通过减小NiO晶粒尺寸,可增大阳极三相反应界面长度,并获得性能优良的阳极材料.     

乙醇在Ni-ZnO-ZrO2-YSZ阳极SOFC上的发电性能

为考察乙醇用于固体氧化物燃料电池的可行性,用柠檬酸溶胶 凝胶制备阳极催化材料Ni-ZnO-ZrO₂,利用机械混合法制备Ni-ZnO-ZrO₂-YSZ(Y₂O₃稳定的ZrO₂)阳极。用涂覆法,在YSZ电解质上,制备了Ni-ZnO-ZrO₂-YSZ/YSZ/LSM（La_0.85Sr_0.15MnO₃）与Ni-YSZ/YSZ/LSM的单体电池。在不同蒸发器操作温度、电池操作温度和乙醇蒸气流量下,以乙醇为燃料进行发电实验,对两种阳极的电池发电性能进行比较。实验结束后,用SEM检测了两种电池阳极的表面。结果表明,Ni-ZnO-ZrO₂-YSZ阳极SOFC的电池输出性能明显高于Ni-YSZ阳极,且Ni-ZnO-ZrO₂-YSZ阳极具有较好的抗积炭能力。     

低浓度干甲烷在SOFC Ni-YSZ阳极上的反应

向Ni-YSZ/YSZ/LSM(Ni-Y2O3稳定的ZrO/YSZ/La0.85Sr0.15MnO3-δ)电池阳极通入不同浓度的干甲烷,利用气相色谱对阳极尾气进行原位检测,研究在不同电流密度下,干甲烷在Ni-YSZ阳极上所发生的反应.通过理论开路电压和实测开路电压的比较、阳极尾气的定量分析以及CH4在Ni基阳极上基元反...     

乙醇在Ni-ZnO-ZrO_2-YSZ阳极SOFC上的发电性能

为考察乙醇用于固体氧化物燃料电池的可行性,用柠檬酸溶胶-凝胶制备阳极催化材料Ni-ZnO-ZrO2,利用机械混合法制备Ni-ZnO-ZrO2-YSZ(Y2O3稳定的ZrO2)阳极。用涂覆法,在YSZ电解质上,制备了Ni-ZnO-ZrO2-YSZ/YSZ/LSM(La0.85Sr0.15MnO3)与Ni-YSZ/YSZ/LSM的单体电池。在不同蒸发器操作温度、电池操作温度和乙醇蒸气流量下,以乙醇为燃料进行发电实验,对两种阳极的电池发电性能进行比较。实验结束后,用SEM检测了两种电池阳极的表面。结果表明,Ni-ZnO-ZrO2-YSZ阳极SOFC的电池输出性能明显高于Ni-YSZ阳极,且Ni-ZnO-ZrO2-YSZ阳极具有较好的抗积炭能力。     

Single SOFC with Supporting Ni-YSZ Anode,Bilayer YSZ/GDC Film Electrolyte,and La<Subscript>2</Subscript>NiO<Subscript>4 + δ</Subscript> Cathode

Characteristics of fuel cells with supporting Ni-YSZ anode, bilayer YSZ/GDC electrolyte with the thickness of 10 μm, and La₂NiO_{4 + δ} cathode are studied. It is shown that when humid (3% water) hydrogen is supplied to the anode and air is supplied to the cathode, the maximum values of cell’s power density are 1.05 and 0.75 W/cm² at 900 and 800°С, respectively. After the introduction of praseodymium oxide and ceria into the cathode and the anode, respectively, the power density is ca. 1 W/cm² at 700°С. It is found that the power density of a cell with impregnated electrodes weakly increases with the increase in temperature to ca. 1.4 W/cm² at 900°С. The analysis of impedance spectra by the distribution of relaxation times shows that such behavior is associated with the gas-diffusion resistance of the SOFC anode. The latter is explained by the low porosity of the anode and the high rate of fuel consumption.     

High temperature thermo-photocatalysis driven carbon removal in direct biogas fueled solid oxide fuel cells

Solid oxide fuel cells (SOFCs) can directly convert renewable biogas into electricity with high efficiency at high temperature, however the long-term stability of SOFCs is significantly affected by the carbon deposition on the anode during cell operation. Herein, we report a novel carbon removal approach by high temperature infrared light driven photocatalytic oxidation. Upon the comparison of electrochemical performance of Ni-YSZ anode and TiO₂ modified Ni-YSZ anode in the state-of-the-art single cell (Ni-YSZ/YSZ/LSCM), the modified anodes exhibit markedly improved peak powder density with simulated biogas fuel (70% CH₄+ 30% CO₂) at 850 °C with less coking after 40 h operation. The high activity and carbon deposition resistance of the modified anode is possibly attributed to the in situ generated hydroxyl radical from the reduced TiO_x powder under high temperature infrared light excitation, which is supported by detailed analysis of microstructural information of anodes and the powder-based thermo-photocatalytic experiments.     

Thermal expansion, gas permeability, and conductivity of Ni-YSZ anodes produced by different techniques

The supported Ni-YSZ (50 wt.% Ni?+?50 wt.% Zr_0.84Y_0.16O_1.92) anodes were produced of powders, obtained by the ceramic method, combustion synthesis, deposition of nickel oxide onto the YSZ ceramics, and deposition of 28 wt.% of nickel oxide onto the 39 wt.% NiO?+?61 wt.% YSZ powders. The influence of the NiO-YSZ powder production technique, the amount of pore former and sintering temperature on the porosity, gas permeability, thermal expansion, and anode conductivity were studied. The porosity of anodes made of powders obtained by the ceramic method is always lower than the porosity of the anodes made of powders produced by combustion synthesis under otherwise equal conditions. The anode electrical conductivity greatly depends on the powder production techniques, while the anode thermal expansion is only slightly influenced by them.     

Magnetron formation of Ni/YSZ anodes of solid oxide fuel cells

Physico-chemical and structural properties of nanocomposite NiO/ZrO₂:Y₂O₃ (NiO/YSZ) films applied using the reactive magnetron deposition technique are studied for application as anodes of solid oxide fuel cells. The effect of oxygen consumption and magnetron power on the discharge parameters is determined to find the optimum conditions of reactive deposition. The conditions for deposition of NiO/YSZ films, under which the deposition rate is maximum (12 μm/h), are found and the volume content of Ni is within the range of 40–50%. Ni-YSZ films reduced in a hydrogen atmosphere at the temperature of 800°C have a nanoporous structure. However, massive nickel agglomerates are formed in the course of reduction on the film surface; their amount grows at an increase in Ni content in the film. Solid oxide fuel cells with YSZ supporting electrolyte and a LaSrMnO₃ cathode are manufactured to study electrochemical properties of NiO/YSZ films. It is shown that fuel cells with a nanocomposite NiO/YSZ anode applied using a magnetron sputtering technique have the maximum power density twice higher than in the case of fuel cells with an anode formed using the high-temperature sintering technique owing to a more developed gas-anode-electrolyte three-phase boundary.     

梯度Cu-CeO2-Ni-YSZ复合阳极直接甲烷SOFC的制备与性能

采用三层共压-共烧结法, 并涂覆La_0.8Sr_0.2MnO₃ (LSM)阴极, 制备了梯度Ni-YSZ阳极结构的固体氧化物燃料电池(SOFC)(大孔Ni-YSZ|微孔Ni-YSZ|YSZ|LSM) (YSZ: Y₂O₃稳定的ZrO₂; LSM: Sr 掺杂的LaMnO₃).通过浸渍法在大孔Ni-YSZ 基底中沉积占总重量约1%的Cu-CeO₂抗积碳催化剂, 形成梯度Cu-CeO₂-Ni-YSZ复合阳极. 分别以CH₄和H₂为燃料, 空气为氧化剂, 测定了构造的SOFC输出电性能和长期稳定性. 结果表明,三层共压-共烧结法制备的梯度阳极SOFC, 层间结合紧密无缺陷, 阳极梯度孔结构明显, YSZ膜致密无缺陷.在850℃下操作, 以梯度Ni-YSZ 阳极制备的SOFC, 燃料由H₂切换为甲烷时, 最大功率密度由284 mW·cm^-2下降到143 mW·cm^-2; 而以Cu-CeO₂-Ni-YSZ 复合阳极构造的SOFC出现相反趋势, H₂切换为甲烷后最大输出由176 mW·cm^-2增加到196 mW·cm^-2. 在250 mA·cm^-2负荷下, 梯度Ni-YSZ阳极支撑的直接甲烷SOFC仅稳定运转10 h 便出现明显衰减, 阳极中积碳严重; 但Cu-CeO₂-Ni-YSZ 复合阳极支撑SOFC连续运转50 h, 输出电压与输出功率密度基本不变, 电镜观察不到积碳.     

共压直接成型法制备单腔体固体氧化物燃料电池

采用共压直接成型法制备单腔体固体氧化物燃料电池(SC-SOFC),单电池结构为Ni-YSZ/YSZ/LSM,YSZ为8%(x)Y2O3稳定的ZrO2,LSM为锰酸镧锶(La0.7Sr0.3MnO3).应用扫描电子显微镜(SEM)研究了电池微观结构,结果表明:阴极和电解质之间结合紧密,LSM在阴极YSZ三维骨架上负载性能良好;YSZ电解质薄膜厚约50μm,阳极厚约600μm,阴极层厚约100μm.研究了单电池反应温度T,阴极催化剂负载层数n,甲烷和氧气混合体积比Rmix对电池输出性能的影响规律.在T=800℃、n=2、Rmix=2时,电池性能达到最佳,开路电压为0.95V,最大电流密度为130mA·cm-2,最大功率密度为30mW·cm-2.