二甲醚燃料电池复合镍阳极的研究

制备并表征了二甲醚(DME)固体氧化物燃料电池(SOFCs)系列Ni-Fe-La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.115Co0.085O3(LSGMC8.5) 复合阳极, 电极中Ni与Fe的摩尔比分别为9:1、8:2、7:3、5:5, 电极中Ni-Fe的总质量分数为75%. 利用多种技术考察了电极的物相组成, 电极以及电极/电解质界面的微观结构, 电极/电解质界面上进行的DME电化学氧化反应. 结果表明, 复合阳极中Fe含量的增加促进了电极的烧结, 同时改变了电极/电解质界面的微观结构. 电极催化DME电化学氧化的活性依赖于Ni、Fe的比例, Ni、Fe的摩尔比为8:2的电极具有最高的电化学活性. Ni-Fe-LSGMC8.5电极具有较高的催化DME氧化反应的活性与稳定性, 没有观察到电极中存在明显的积碳现象.     

高性能Sm0.5Sr0.5CoO3阴极的制备与表征

用固相合成法合成了Sm0.5Sr0.5CoO3 (SSC)中温固体氧化物燃料电池阴极材料.以La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3为电解质,利用多种技术考察了不同温度(1173～1373 K)焙烧的SSC阴极,以及1173 K 焙烧、掺杂La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3(LSGMC5)或La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.09Co0.11O3 (LSGMC11)高氧离子电导材料的复合SSC阴极.SEM的结果显示,随着电极焙烧温度的增加,电极的颗粒度增大,孔隙度减小；LSGMC5、LSGMC11的掺杂对电极微观结构影响不大.交流阻抗和极化实验的结果表明,SSC电极的活性随电极焙烧温度的增加而减小,电极的最佳焙烧温度在1173 K左右；掺杂了LSGMC5或LSGMC11的复合SSC电极的活性以及稳定性显著高于SSC电极.     

利用钐掺杂的氧化铈夹层提高燃料电池阳极的活性

考察了Ni-钐掺杂的氧化铈(Ni-SDC)复合阳极与La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3(LSGM)电解质中间加入的SDC 中间层对阳极及整个电池性能的影响.结果表明，SDC中间层的加入显著减小了阳极极化过电位，但同时引入了欧姆降，降低了电池的功率输出密度.氢在Ni-SDC电极的氧化主要由两个过程控制，分别对应于交流阻抗谱的两个阻抗半圆，高频环随着SDC中间层的加入显著减小，可能对应于H2在Ni-SDC/SDC/H2三相界的电化学氧化或氧从LSGM向SDC的传输，低频环与SDC中间层无关，可能对应于氢在电极表面的解离吸附及吸附物种的扩散过程.使用Ni-SDC/SDC夹层阳极可以明显地提高电池的稳定性.     

LaGaO3基固体氧化物燃料电池阳极材料Ce1-xTmxO2-δ（Tm=Cu,Mn,Fe）研究

以研究与Sr,Mg掺杂LaGaO3(LSGM)电解质匹配的阳极材料为出发点,系统研究了Ce1-xTmxO2-δ(Tm=Cu,Mn,Fe)固溶体的晶体结构、热化学稳定性、电化学性能和单电池发电实验。柠檬酸法合成的Ce1-xTmxO2-δ化合物在x<0.2时均为单相材料,与LSGM电解质有良好的热化学相容性。采用交流阻抗法研究了阳极材料的电化学性能,金属元素掺杂可以显著地改善CeO2电化学性能,Fe元素掺杂阳极材料极化电阻最小,随着元素掺杂量的增加以及氢气增湿,极化电阻减小。采用电解质支撑结构单电池进行发电实验,在800℃时,以Ce0.8Fe0.2O2-δ作为阳极的单电池最高功率密度可达98 mW.cm-2,表明该材料作为IT-SOFC的阳极材料具有一定的可行性,有望成为适合LSGM电解质的阳极材料。     

用湿化学法制备Sm0.5Sr0.5CoO3-La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3复合阴极及其性能表征

用湿化学法制备了Sm0.5Sr0.5CoO3(SSC)－La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3(LSGMC5)中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料，其中SSC用甘氨酸－硝酸盐法合成，LSGMC5用柠檬酸盐法合成。XRD结果表明，甘氨酸－硝酸盐法制备的SSC在焙烧温度大于1223K即表现为单一的钙钛矿结构。随焙烧温度的升高，SSC粉末颗粒增大,导致含有高温烧结SSC的电极与电解质界面结合变差。采用多种技术考察了利用不同温度（1173－1373K）预烧的SSC粉末制备的SSC-LSGMC5阴极上进行的氧还原反应。结果表明，SSC-LSGMC5复合电极的性能显著依赖于电极中SSC粉末的预烧温度，当SSC粉末焙烧温度在1223K附近时，具有最小的欧姆电阻以及氧还原反应极化电阻，1A· cm-2电流密度下的极化过电位为0.077 V。     

利用钐掺杂氧化铈提高燃料电池阳极活性

用浸渍法制备并采用交流阻抗、极化等技术考察了不同组成的Ni-Sm3＋掺杂的CeO2(SDC) 复合镍阳极的电化学性能及相应电池的功率输出性能.结果表明，SDC掺入镍阳极后,阳极极化过电位及电池的欧姆电阻显著减小.其中阳极过电位的减小与SDC掺入镍电极引起的三相界扩展有关，但SDC的掺入同时引起了电极反应活化能的增加,造成低温下Ni-SDC的极化过电位大于纯Ni电极.高温下,Ni-SDC阳极的阻抗谱由两个半圆组成，其中高频半圆随着SDC掺入量的增加而减小,而低频环与SDC的掺入量基本无关.低温下只观察到一个高频环.高频环可能对应三相界反应,而低频环可能对应氢的解离吸附及扩散.75％（w）Ni-25％（w）SDC/La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3(LSGM)/Sm0.5Sr0.5CoO3(SSC)在所研究的电池中具有最大功率输出密度，其值在1073、973、873 K下分别达到1.1、0.43、0.14 W•cm－2.     

镧改性镍基阳极固体氧化物燃料电池

研究了镧改性镍基阳极的组成与结构及其电化学性能.XRD结果显示,镧可以与氧化镍反应生成LaNiO3,在复合阳极中可以与氧化锆反应生成La2Zr2O7.SEM结果显示,当镧含量为10%（摩尔比）时,复合阳极的颗粒较小,分布均匀;添加镧可以较好地阻止镍与氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）的烧结长大,而且很好地改善镍与YSZ的界面接触;镧改性阳极的微结构得到了明显的改善,大大降低了电池的极化电阻,提高了电池性能,电池在800℃时的最大功率密度由添加前的1.33W/cm2提高到1.61W/cm^2.但当添加过量的镧（20%摩尔比）时,因较多的La2Zr2O7生成,使电池的欧姆和极化电阻明显增加,电池性能降低.     

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.     

高性能镓酸镧基电解质燃料电池

制备并用多种电化学方法研究了LaGaO3基高性能中温固体氧化物燃料电池的电极和电解质材料，组装出了高性能单电池.实验发现， Co掺杂的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3电解质中， Co含量的增加显著提高了电解质的氧离子电导率，电解质的氧迁移数略有减小，是非常好的中、低温燃料电池电解质.钴掺杂的电解质不仅显著减小了电池的欧姆电阻，而且减小了电池的阴、阳极极化过电位.以La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.11Co0.09O3为电解质时电池在1073、973、873 K下的最大输出功率密度分别达到1.77、0.92、0.41 W•cm－2，是非常有前景的电池体系.     

二甲醚的电催化氧化反应

 考察了负载于镓酸镧基电解质上的镍电极与镍－钐掺杂氧化铈复合电极电催化二甲醚氧化反应的特性．结果表明，反应的主要产物均为CO，H2和CH4，同时生成少量完全氧化的产物H2O和CO2．在开路电位下二甲醚发生裂解反应，生成的CO，H2和CH4三种主要产物的比例接近于1．在有电泵氧存在下，二甲醚的电催化氧化反应强烈地依赖于阳极及电解质材料的组成．Ni／La0．9Sr0．1Ga0．8Mg0．2O3界面上发生的主反应是二甲醚的部分氧化，且存在有严重的积碳现象．电极中掺入SDC（15％Sm3＋－掺杂的CeO2）后，二甲醚完全氧化性能明显增强；随着电流的增大，氢的生成速率显著减小，并生成大量的H2O．采用掺钴镓酸镧基电解质后，Ni－SDC主要表现为催化二甲醚部分氧化反应，且显著抑制了积碳的发生．Ni－SDC／La0．8Sr0．2Ga0．8－Mg0．11Co0．09O3上二甲醚电催化氧化反应的主要产物为1∶1的CO和H2．掺钴电解质引起Ni－SDC具有特殊的催化性能，可能与电解质中p型电导的存在有关．     

银基陶瓷复合电极的电性能及其在固体氧化物燃料电池中的应用

银基陶瓷复合电极可望在中低温固体氧化物燃料电池(SOFCs)、含碳燃料SOFCs和固体氧化物电解池(SOECs)中得到广泛应用。为优选出银基陶瓷复合电极的成分,本研究采用YSZ(钇稳定化氧化锆)电解质,先将Ag-YSZ和Ag-GDC(掺钆氧化铈)材料制备成对称电极,测试其在空气下的阻抗谱,由此判断其作为阴极的性能;发现在相同的Ag含量时, Ag-YSZ的阴极极化电阻普遍低于Ag-GDC;当Ag的质量分数为65%时, Ag-YSZ的极化电阻最低,而对于Ag-GDC, Ag的质量分数是70%。然后采用空气中极化电阻最低的Ag-YSZ和Ag-GDC作为电极制备了SOFC单电池,并采用加湿氢气燃料对电池的电化学性能进行了测试。根据电池的阻抗谱数据,将极化阻抗的数值减去上述阴极阻抗的数值可得到阳极阻抗值,其结果和电池的输出特性均表明, Ag-GDC作为阳极的性能优于Ag-YSZ,即在本实验条件下, Ag-YSZ更适合用作阴极,而Ag-GDC更适合用作阳极。本研究不仅提供了关于银基复合电极材料的有用数据,还提供了一种测试SOFC阳极极化电阻的方法。     

Ni-Fe/SDC电池阳极材料的制备和性能表征

采用硝酸盐-柠檬酸法合成了具有高比表面积的一系列Ni-Fe氧化物和电解质Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC), 利用上述材料制备出固体氧化物燃料电池(SOFC)复合阳极材料Ni-Fe/SDC, 并对其微结构和相关性能进行测试. 结果表明: 该复合阳极材料与电解质SDC具有较高的热匹配性, 以其作为SOFC的阳极, 氢气为燃料, 其单电池表现出优异的性能, 700 ℃电池输出功率密度最高可达90.6 mW•cm−2.     

Influence of Calcination on the Properties of Nickel Oxide-Samarium Doped Ceria Carbonate (NiO-SDCC) Composite Anodes

Apart from its composition, the starting powder properties such as particle size potentially affect the triple phase boundary and the electrochemical performance. Calcination process has been identified as one of the factors that influence the particle size of the composite anode powders. This study investigates the correlation between calcination temperature and properties (i.e., chemical, physical, and thermal) of NiO–samarium-doped ceria carbonate (SDCC) composite anodes. NiO–SDCC composite anode powder was prepared with NiO and SDCC through high-energy ball milling. The resultant composite powder was subjected to calcination at various temperatures ranging from 600 °C to 800 °C. Characterizations of the composite anode were performed through X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy, energy dispersive spectroscopy, field emission scanning electron microscopy (FESEM), thermogravimetric analysis (TGA), dilatometry, and porosity measurements. The composite anodes exhibited good chemical compatibility during XRD after calcination and sintering. The FTIR result verified the existence of carbonates in all the composite anodes. The increment in calcination temperature from 600 °C to 800 °C resulted in the growth of nanoscale particles, as evidenced by the FESEM micrographs and crystallite size. Nonetheless, the porosity obtained remained within the acceptable range for a good anodic reaction (20% to 40%). The TGA results showed gradual mass loss in the range of 400 °C to 600 °C (within the low-temperature solid oxide fuel cell region). The composite anodes calcined at 600 °C and 700 °C revealed a good thermal expansion coefficient that matches that of the SDCC electrolyte.     

Investigation of a novel MEA for direct dimethyl ether fuel cell

In this study, we presented the novel membrane electrode assembly (MEA) for direct dimethyl ether fuel cell (DDFC). The anode diffusion layer of the MEA consisted of hydrophilic region and hydrophobic region (with a ratio of region areas of 1:1). The electrochemical impedance spectra analyses revealed that the mass transfer resistance of novel MEA was lower than that of completed hydrophilic or hydrophobic MEA. The performance of novel MEA for DDFC was enhanced due to the promotion the mass transport of DME fuel at 50 °C. The constant current operation curves showed that the performance decay ratio of the novel MEA was lower than that of conventional MEAs. It indicated that the novel MEA benefited the long-term operation of DDFC.     

Effect of the Copper Oxide Sintering Additive on the Electrical and Electrochemical Properties of Anode Materials Based on Sr<Subscript>2</Subscript>Fe<Subscript>1.5</Subscript>Mo<Subscript>0.5</Subscript>O<Subscript>6–δ</Subscript>

The effect of introducing 1–3 wt % copper oxide sintering additive on the electrical and electrochemical characteristics of promising anode materials for solid oxide fuel cells based on Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6–δ was studied. The total conductivity increases with increasing amount of copper oxide. The maximum conductivity in humid hydrogen at 800°C, 45 S cm^–1, was reached on introducing 3 wt % CuO. The sintering additive enhances the electrochemical activity of Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6–δ and Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6–δCe_0.8Sm_0.2O_1.9 anodes. A decrease in the sintering temperature of the anodes containing CuO with the electrolyte based on lanthanum gallate directly correlates with the electrochemical activity of the anodes. The minimum value of the polarization resistivity, 0.15 Ω cm² at 800°С in a humid hydrogen atmosphere, was obtained for the composite anode with 3 wt % CuO sintered at a temperature of 1050°С.