TiO2修饰La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ用于中温固体氧化物燃料电池的阴极

纳米TiO2修饰的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)阴极被直接应用于YSZ电解质电池上. TiO2可阻止LSCF和YSZ间的化学反应,抑制SrZrO3的形成. LSCF-0.25 wt% TiO2阴极电池在0.7 V和600°C下的电流密度是LSCF阴极电池的1.6倍.电化学阻抗谱结果表明, TiO2修饰显著加快了氧离子注入电解质的过程,这可能与TiO2抑制了阴极/电解质界面处高电阻SrZrO3层的形成有关.本文为在ZrO2基电解质上使用高性能的(La,Sr)(Co,Fe)O3阴极材料提供了一种简单有效的方法.     

固体氧化物燃料电池用（La，Sr）（Co，Fe）O3-δ阴极的制备及其电化学催化性能

采用溶液注入法和丝网印刷法制备了(La,Sr)(Co,Fe)O3-δ (LSCF)/YSZ与LSCF/GDC复合电极,并通过扫描电镜和电化学阻抗谱研究了不同结构电极的微观形貌和电化学催化性能. 结果表明, LSCF阴极与YSZ电解质在低于800 ℃下制备时,没有新相产生; 在中温固体氧化物燃料电池的工作条件(700～750 ℃)下,溶液注入法制备的LSCF阴极与YSZ电解质有较好的化学相容性和较高的电化学催化活性,而丝网印刷法制备的LSCF阴极则表现出稳定的电化学催化性能.     

纳米La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ阴极粉体的溶液燃烧法合成与性能表征

采用硝酸盐-甘氨酸溶液燃烧法合成了La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-?啄(LSCF)前驱粉体, 通过XRD、BET、FESEM及激光粒度仪等手段对粉体进行表征. 结果表明, 所合成的LSCF粉体为纯钙钛矿结构, 具有高达22.9 m2·g-1的比表面积, 粒度均匀, 平均颗粒尺寸为175 nm. 非等温烧结实验表明该粉体具有良好的低温烧结活性. 在阳极NiO-YSZ(氧化钇稳定氧化锆)负载的电解质YSZ上, 于800 ℃烧结制备LSCF阴极组成的单元电池Ni-YSZ/YSZ/LSCF, 在700 ℃下以H2作燃料时具有良好的电池性能, 最大功率密度为0.97 W·cm-2, 在0.7 V时的功率密度约达到0.83 W·cm-2. 这种无中间缓冲层的低温制备LSCF阴极方法, 简化了电池结构及其制备过程, 同时提高了电池的性能.     

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.     

复合阳极在甲烷燃料电池中的应用和研究

采用共压-共烧结的方法制备以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 400～650 ℃范围内,以干甲烷为燃料气,氧气为氧化气,测试了单电池的性能.用SEM对单电池进行微观结构分析,并对电池在650 ℃进行了6 h的稳定性测试,结果表明,该电池在6 h的测试过程中功率有较大的衰减,单电池在650 ℃时得到电流密度和功率流密度分别为为258.26 mA/cm2,为51.31 mW/cm2.     

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.     

固体氧化物燃料电池La0.7Sr0.3Cr1-xMnxO3-δ阳极性能研究

采用溶胶凝胶法制备了La0.7Sr0.3Cr1-xMnxO3-δ(x=0.3,0.4,0.5,0.6)系列阳极粉体。在1000℃下焙烧后,XRD结果显示粉体物相为单一的钙钛矿相。制备以La0.7Sr0.3Cr1-xMnxO3-δ为阳极,Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)为电解质,Pr0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-δ-SDC复合阴极的电解质支撑型固体氧化物燃料单电池。由扫描电子显微镜(SEM)观察表明单电池电解质致密,阳极孔径分布均匀,厚度约为20μm,多孔阴极厚度为10μm。采用直流四电极法测试以La0.7Sr0.3Cr0.5Mn0.5O3-δ为阳极用湿氢气作燃料时在800℃下获得最大输出功率为232.84 mW.cm-2,短路电流为0.92 A.cm-2。     

中温平板型固体氧化物燃料电池研究

采用流延法制备Ni/YSZ阳极支撑体 YSZ电解质复合膜素坯.经等静压,共烧结而得到的复合膜,其YSZ电解质层的厚度在1530μm之间,面积大于100cm2.再将由柠檬酸盐法合成的Ce0.8Sm0.2O1.9(CSO)和固相法合成的La0.6Sr0.4CoO3(LSCO)相继沉积到YSZ膜上形成有CSO中间层的复合阴极,从而构成Ni/YSZ/CSO/LSCO的中温平板型固体氧化物燃料(单体)电池,其中Ni/YSZ为阳极,CSO是中间层,LSCO为阴极.以H2作燃料气,O2为氧化气,850℃下,该单电池开路电压达1.1V,最大输出功率密度0.2W/cm2.本文还对该单电池复数阻抗谱进行了分析讨论.     

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.     

共压共烧结法制备固体氧化物燃料电池及其结构性能分析

用共压 共烧结法制备以Ce0.8Gd0.2O1.9(CGO)作电解质的中温固体氧化物燃料电池,其中CGO和阴极材料La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-α(LSCF)由溶胶凝胶法合成.实验表明,,由共压 共烧结法制备的上述材料组装的电池具有致密的电解质层,且与电极的结合非常紧密,测得的最大输出功率0.14W/cm2,相应的操作温度为650℃,电流密度为307mA/cm2.该电池的电化学过程为内阻和浓差极化联合控制,使用造孔剂可改善阳极基底的孔隙结构,降低浓差极化过电位.     

固体氧化物燃料电池LSCF-SDC 纳米复合阴极制备及性能研究

利用硝酸盐溶液一次浸渗工艺在La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)表面涂覆Sm0.2Ce0.8O2(SDC)纳米颗粒,制备了LSCF-SDC纳米结构复合阴极。微观结构分析显示SDC纳米颗粒在LSCF表面均匀分布并且颗粒大小均一。界面阻抗图谱表明SDC浸渗极大的降低了LSCF阴极的界面极化阻抗,在750和650℃仅为0.074,0.44Ω.cm2。LSCF-SDC复合阴极的表观活化能为1.42 eV,略小于纯LSCF阴极。与混合法制备的LSCF-GDC复合电极相比,采用浸渗工艺制备的LSCF-SDC纳米结构复合阴极也显示出良好的电化学催化活性。     

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.     

钐锶钴阴极/镧锶镓镁电解质界面的元素扩散

采用X射线衍射、扫描电镜及电化学方法考察了固体氧化物燃料电池钐锶钴(Sm0.5Sr0.5CoO3-δ,SSC)阴极烧结温度和时间对镧锶镓镁(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δLSGM)电解质的导电行为和电解质/阴极界面电化学性质的影响.结果表明,当SSC阴极的烧结温度由1173 K升高到1323 K时,LSGM/SSC界面形成了LaSrGaO4和LaSrGa3O7杂相:当烧结温度升高到1373 K时,还形成了高电子电导率的La-Sr-Co-O复合化合物.Co元素的扩散导致LSGM电解质电子电导率升高,氧离子迁移数和电池开路电压降低.延长SSC阴极烧结时间,LSGM电解质的欧姆电阻增大,电解质氧离子迁移数和电池的开路电压降低,这足由于延长SSC烧结时间加剧了LSGM/SSC界面上高阻抗相LaSrGaO4和LaSrGa3O7的生成.阴极中人量Co元素的扩散改变了LSGM电解质内部组成与结构.     

一种抗CO2中毒的高电化学性能质子导体电解质

制备了一种高电化学性能的抗CO2中毒的低温质子导体固体氧化物燃料电池电解质BaZr0.4Ce0.4Y0.2O3(BZCY4),并通过双层共压法制备出NiO+BZCY4阳极支撑的单电池.该电池以质子导体材料BZCY4氧化物为电解质,钙钛矿型材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3(BSCF)为阴极,在750和400℃下的功率密度分别为219和57mW/cm2.     

Co/Fe oxide and Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2-δ) composite interlayer for solid oxide electrolysis cell

A composite interlayer comprised of gadolinia doped ceria(GDC) and Co/Fe oxide was prepared and investigated for solid oxide electrolysis cell with yttrium stabilized zirconia(YSZ) electrolyte and La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)(LSCF) anode. The interlayer was constructed of a base layer of GDC and a top layer of discrete Co_3O_4/FeCo_2O_4 particles. The presence of the GDC layer drastically alleviated the undesired reactions between LSCF and YSZ, and the presence of Co/Fe oxide led to further performance improvement. At 800 °C and 45% humidity, the cell with 70% Co/Fe-GDC interlayer achieved 0.98 A/cm~2 at 1.18 V, 14% higher than the cell without Co/Fe oxide. Electrochemical impedance spectroscopy(EIS) revealed that with higher Co/Fe content, both the ohmic resistance and the polarization resistance of the cell were reduced. It is suggested that Co/Fe oxide can react with the Sr species segregated from LSCF and Sr_(1-x)(Co,Fe)O_(3-δ), a compound with high catalytic activity and electronic conductivity. The Sr-capturing ability of Co/Fe oxide in combination with the Sr-blocking ability of GDC layer can effectively suppress the undesired reaction between LSCF and YSZ, and consequently improve the cell performance.     

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.     

Ln_2MO_4型固体氧化物燃料电池阴极材料

发展中温固体氧化物燃料电池阴极材料面临着巨大的挑战,K2NiF4结构Ln2MO4型氧化物(Ln=La,Pr,Nd,Sm;M=Ni,Cu,Fe,Co,Mn)由于具有高的离子-电子电导率,与固体电解质匹配的热膨胀系数,较好的氧扩散及表面交换性能,得到了人们的广泛关注.这预示着该类材料有希望成为一种新型固体氧化物燃料电池阴极材料.阴极材料的高温化学稳定性研究结果表明,镍酸盐Ln2NiO4(Ln=La,Pr,Nd)氧化物与固体电解质YSZ化学相容性较差,高温时易生成绝缘相Ln2Zr2O7.相比较而言,对于掺杂型Ln2-xSrxM1-yMy/O4(Ln=La,Sm,Nd;M,M/=Cu,Fe,Ni,Co)阴极材料与传统固体电解质CGO、LSMG和YSZ等具有很好的化学相容性,高温条件下二者之间不发生化学反应.与传统的钙钛矿相比,具有相同组成元素的Ln2MO4型氧化物具有更低的热膨胀系数,并且与固体电解质有很好的热匹配性.电导率数值的大小是衡量阴极材料性能的重要指标.研究结果显示,Ln2MO4氧化物在400～600℃的混合电导率数值为40～100S/cm,且镍酸盐和钴酸盐体系普遍具有较高的数值,这对阴极来说是极为有利的....     

Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ为阴极的中温固体氧化物燃料电池

 通过在阴极与氧化钇稳定的氧化锆电解质间添加Gd0.1Ce0.9O1.95 (GDC)隔层,成功地将Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF)阴极应用在中温固体氧化物燃料电池上. 由BSCF膜的高透氧率可知,BSCF在中温范围内具有很高的氧离子电导率. 在添加GDC隔层后,电池以空气为氧化剂时显示了很高的性能,极化电阻急剧下降,表明GDC隔层的添加是必要和有效的.     

La0.6Sr0.4Co1-yFeyO3(y=0.2,0.8)复合氧化物混合导电性能研究

采用甘氨酸-硝酸盐（GNP）法制备了La0．6Sr0．4Co1-yFeyO3（y=0．2，0．8）g合氧化物，研究了材料的结构、电子-离子混合导电性能及其相关性。结果表明，La0.6Sr0.4Co1-yFeyO3（y=0．2，0．8）合成粉料的颗粒细小均匀（～100nm），陶瓷形成菱形六面体钙钛矿结构。与La0．6Sr0．4Co0．2Fe0．8O3（y=0．8）陶瓷相比，La0.6Sr0.4Co0．8Fe0．2O3（y=0．2）陶瓷的晶粒尺寸大、致密度较高。在La0.6Sr0.4Co0．8Fe0．2O3（y=0．2）陶瓷中观察到Co^3＋离子歧化对电子导电性能的影响。与La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3（y=0．8）陶瓷相比，La0.6Sr0.4Co0.8Fe0．2O3（y=0．2）陶瓷具有更优异的电子-离子混合导电性能，材料在混合导电性能上的差异与其电子结构和显微结构紧密相关。     

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.