钙钛矿型固体氧化物燃料电池阳极材料

固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为一种高效、洁净的化学电源已经受到各国的重视.钙钛矿型复合氧化物由于其较高的混合导电性和对燃料气较好的催化活性及超强抗积碳能力而越来越被广泛地应用于直接烃类SOFCs的阳极材料中.本文对钙钛矿型固体氧化物燃料电池阳极材料的最新研究进展进行了较为全面的综述,从阳极的设计要求出发,着重比较了LaCrO3系列、SrTiO3系列和双钙钛矿等阳极材料的稳定性、电导率以及电催化活性,指出了其不足,并对其应用前景进行了展望.     

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.     

双钙钛矿型固体氧化物燃料电池阳极材料

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)是一种能量转化装置,具有转换效率高、环境友好、燃料适应性强等优点,其中,阳极作为燃料气的电化学反应场所,对SOFC性能起关键作用。相比于传统Ni-YSZ阳极,钙钛矿阳极材料结构稳定性好,具有较强的抗碳沉积、硫中毒能力。双钙钛矿结构由于具有晶格位置的多样化,因而材料结构和性能具有更强的可调控性,受到人们的广泛关注,成为新型阳极材料的重要研究方向。但相较于传统Ni-YSZ阳极材料,双钙钛矿阳极仍存在催化活性差,电导率低等问题。本文综述了近十几年双钙钛矿阳极材料的研究进展,首先对A位和B位双钙钛矿结构特征和形成原因进行了简单介绍,然后对两种双钙钛矿结构的典型阳极材料性能特点、改性方法和改性机理进行了分类总结,包括Sr₂MgMoO₆、Sr₂CoMoO₆、Sr₂NiMoO₆、Sr₂FeMoO₆、PrBaMn₂O_5+δ等材料。最后对双钙钛矿阳极材料未来的研究方向提出了建议。     

高温固体氧化物电解制氢技术

高温水蒸气电解制氢是解决大规模氢源问题的潜在途径之一。高温固体氧化物电解池（SOEC）可以利用各种可再生能源以及先进核能提供的热能和电能,在高温下将水蒸气高效电解为氢气和氧气。SOEC结合先进核能可以实现高达50%的热氢转化效率,已经成为近年来能源领域的一个研究热点。本文较详细介绍了SOEC的原理、分类、组成材料和特点,综述了SOEC制氢的发展现状、关键材料和核心技术,展望了SOEC在先进能源技术领域的应用前景。     

稀土改性固体氧化物燃料电池阳极催化材料的制备和表征

采用硝酸盐共分解法制备稀土改性固体氧化物燃料电池阳极催化材料NiOxREγOx。用x射线衍射（XRD）、程序升温还原（TPR）、扫描电镜（SEM）等表征手段考察了材料的物理化学性质。XRD结果表明,添加镧在800℃即会与氧化镍发生反应,而镨则在1400℃与氧化镍发生反应,钐和钆则在两种情况下都没有与氧化镍发生反应。通过添加稀土材料改性,大大降低了氧化镍的粒径,新型催化材料中氧化镍的还原峰向低温方向移动,而添加的稀土材料与氧化镍相互作用,形成一个温度较高的还原峰。结果表明,添加的稀土材料通过与氧化镍相互作用,阻止了制备过程中氧化镍颗粒的长大。     

天然气和甲烷固体氧化物燃料电池中的Ni-LCCM-GDC阳极性能研究

采用溶胶-凝胶法合成了纳米粉体La_1-xCe_xCr_0.5Mn_0.5O_3-δ(x=0.05,0.10,0.15,0.20)(LCCM),并采用共压-共烧结法制备了以复合阳极Ni-La_0.9Ce_0.1Cr_0.5Mn_0.5O_3-δ-Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ(GDC)为支撑、GDC为电解质、La_0.8Sr_0.2Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(LSCF)-GDC为复合阴极的单电池。利用XRD和SEM等方法对阳极材料进行了晶相结构、化学相容性、微观形貌分析。在500~750 ℃范围内,分别以湿天然气(3% H₂O)和甲烷为燃料气,氧气为氧化气测试了单电池的电化学性能,同时检测了以甲烷为燃料气的阳极尾气组成。结果表明：复合阳极材料具有良好的化学相容性;阳极和阴极具有较好的孔隙结构。以天然气和甲烷为燃料气的单电池在700 ℃时最大电流密度分别为131.96 mA·cm^-2,162.36 mA·cm^-2; 最大比功率分别为28.61 mW·cm^-2,31.03 mW·cm^-2。在500~750 ℃范围内阳极尾气中均检测出CO,CO₂,在700 ℃时CO,CO₂含量达到最大值,分别为2.39254%,6.20891%。     

单室固体氧化物燃料电池

单室固体氧化物燃料电池使矿物燃料和氧在同一气室中反应发电,具有无需密封、结构简单及抗热和机械性能强的特点,已经显示出作为便携式电源的良好发展前景,近几年来已成为燃料电池领域的一个研究热点。本文较详细地介绍了单室固体氧化物燃料电池的发展背景、特点、工作原理和影响单室固体氧化物燃料电池性能的众多因素,阐述了它的发展历程及最新进展,并对其前景进行了展望。     

单室固体氧化物燃料电池

单室固体氧化物燃料电池使矿物燃料和氧在同一气室中反应发电,具有无需密封、结构简单及抗热和机械性能强的特点,已经显示出作为便携式电源的良好发展前景,近几年来已成为燃料电池领域的一个研究热点.本文较详细地介绍了单室固体氧化物燃料电池的发展背景、特点、工作原理和影响单室固体氧化物燃料电池性能的众多因素,阐述了它的发展历程及最新进展,并对其前景进行了展望.     

单室固体氧化物燃料电池

单室固体氧化物燃料电池使矿物燃料和氧在同一气室中反应发电,具有无需密封、结构简单及抗热和机械性能强的特点,已经显示出作为便携式电源的良好发展前景,近几年来已成为燃料电池领域的一个研究热点.本文较详细地介绍了单室固体氧化物燃料电池的发展背景、特点、工作原理和影响单室固体氧化物燃料电池性能的众多因素,阐述了它的发展历程及最新进展,并对其前景进行了展望.     

阴极支撑Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ固体氧化物电解池制氢性能研究

利用固体氧化物电解池(Solid oxide electrolysis cell,SOEC)在高温下电解水蒸气制氢,被认为是未来的大规模制氢方法之一.本文采用干压法和丝网印刷法制备了SOEC,考察了氢电极气氛和工作温度对SOEC电解性能的影响,测试了SOEC的稳定性.实验结果表明:氢电极进气中适宜的水蒸气含量为70%～80%;电解池在800,850和900℃,1.50 V的产氢速率分别为89,163和243 N·ml·cm-2·h-1;在900℃以0.33 A·cm-2恒流电解2 h,电解电压的稳定值为0.98 V,并且电解池运行稳定,无明显衰减.阻抗谱解析表明,电极过程是整个电解池电极反应的速度控制步骤.     

直接碳氢化合物固体氧化物燃料电池

直接碳氢化合物固体氧化物燃料电池(D-HC SOFC)具有能量密度高和运行成本低等特点,可望在便携式电源等方面得到广泛应用,已成为国际上SOFC领域的研究热点。本文对D-HC SOFC进行了热力学分析,综述了目前国际上在D-HC SOFC研究方面的现状,指出现有的D-HC SOFC研究工作绝大多数都是围绕着如何避免积碳进行。围绕着避免积碳的3条途径即降低工作温度、采用合适的催化剂和促进电化学氧化,对D-HC SOFC研究进行了阐述和讨论。文中还提到一些阳极反应机理方面的研究,并对今后的D-HC SOFC工作提出了作者的观点,认为应该在D-HC SOFC电池组方面和涉及到气体分布的阳极反应机理方面做更多工作。     

高温固体氧化物电解制氢技术发展现状与展望

固体氧化物电解池是一种先进的能量转换装置,具有高效、简单、灵活、环境友好等特点,是目前国际能源领域的研究热点. 本文对高温固体氧化物电解制氢技术的基本原理、关键材料、系统组成、发展历程及国内外研究现状等进行了总结和分析,小结了该技术发展面临的主要挑战,简述了清华大学在高温固体氧化物电解领域近期的研究进展,并对其未来应用前景进行了展望.     

双钙钛矿型电极材料在中低温固体氧化物燃料电池中的应用

近年来固体氧化物燃料电池(SOFCs)由于高效率(高达80%)、环境友好和燃料适用广泛等优点得到了人们的广泛关注。但是,由于其通常需要1000 ℃以上的工作温度才能达到所需的性能,其商业化及产业化应用受到了严重制约。中低温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)的研发是固体氧化物燃料电池进一步商业化的必然趋势。降低工作温度(从高温1000 ℃以上降低至中低温500~800 ℃)可提高燃料电池的稳定性、降低电池运行成本、增加系统材料可选性,而研发出中低温下性能优异的燃料电池电极材料是实现固体氧化物燃料电池中低温化的关键。作为混合离子-电子导体材料之一,双钙钛矿型氧化物材料可以成功地将燃料反应活性区域从传统的电极-电解质-反应气体三相界面扩展到整个电极的表面, 进而降低材料的极化电阻并大大提高电极在中低温条件下对氧的催化活性。由于双钙钛矿结构材料良好的氧离子传输能力、较低的热膨胀系数、优异的催化活性、较强的抗硫中毒和抗碳沉积能力,近年来成为非常有发展潜力的SOFCs电极材料。本文综述双钙钛矿型氧化物材料作为SOFCs电极材料的最新研究进展,指出目前双钙钛矿电极材料存在的主要问题,并提出SOFCs未来的主要研究发展方向。     

中温固体氧化物燃料电池优势和挑战的简要评述

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的电化学发电装置. 在各种类型的燃料电池中,固体氧化物燃料电池（SOFC）在600~800 ^oC的中温区运行,因此与质子交换膜燃料电池等低温燃料电池相比,它的燃料选择范围更广,具有更广泛的应用前景. 然而,SOFC的商业应用面临着两大挑战：成本和稳定性. 这两种挑战与阳极、阴极、电解质、连接体和密封材料等组件的加工、制备、性能、化学和微结构稳定性密切相关. 电池堆的导管连接材料也需要经过仔细地筛选,以最大限度地降低有毒害的挥发性成分,从而确保电池结构的稳定和完整. 本文旨在简要评述SOFC的材料和组分的研究现状,并提出展望. 本文也对新一代SOFC技术面临的机遇和挑战进行了探讨.     

工业尺寸固体氧化物燃料电池高效及阳极安全运行条件研究

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)是一种清洁高效的能源转化装置, 如何提高SOFC的发电效率, 并保证阳极不发生局部氧化, 是工业界与学术界的焦点问题之一. 建立了工业尺寸SOFC的效率测试与评价方法, 通过对比多组高燃料利用率下的电池效率测试结果, 发现在相同燃料利用率下, 电压会随电流的增大而下降. 因此, 较低的电流有利于达到更高的效率, 较大的电流则有利于输出更高的功率. 此外, 研究了高燃料利用率下放电时电压波动与阳极局部氧化的关联, 通过分析阳极Ni的临界氧化条件, 提出了避免发生阳极局部氧化的电池安全运行条件: 电池的输出电压应高于Ni的临界氧化电动势. 基于所采用的电池和测试参数, 发现在各个电流及温度下, SOFC发电效率大于50%时, 对应的燃料利用率一般在77%~90%这一区间内, 当燃料利用率为87.10%时, 电池具有最大的发电效率. 尽管对于不同材料、结构和制备工艺的SOFC, 其最高效率所对应的工况会有所差异, 但所提出的效率测试及评价方法和阳极安全运行的判断条件具有一定的普适性, 可以根据实际需求中高功率、高效率及长期稳定运行的重要程度, 确定相应的高效及阳极安全运行条件.     

固体氧化物燃料电池综合实验的设计

设计了一个综合性实验——固体氧化物燃料电池制备及性能测试。实验内容包括电解质和电极粉体的制备、电池片压制、对称电极制备,以及采用X射线衍射对粉体结构进行表征,采用电化学工作站对电池化学性能进行测试分析。本实验不仅可以锻炼学生的基本实验操作技能,还可以提高学生的学习兴趣和动手能力,培养学生的创新意识和团队协作精神。     

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.     

单体固体氧化物电解池极化损失分析及阴极微结构优化

基于高温固体氧化物电解池(SOEC)的高温蒸汽电解(HTSE)制氢技术作为一种非常有前景的大规模核能制氢新方法, 受到国际上的迅速关注. 但如何控制电解模式下的极化能量损失和性能衰减是HTSE实用化的关键. 本文通过在线电化学阻抗测试技术, 研究了实际运行状态下的单体固体氧化物池(SOC)在电池模式和电解模式下的极化阻抗分布, 阐述了SOEC与高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的差异, 确定了SOEC氢电极支撑层水蒸气扩散过程极化损失大是制约电解池制氢性能提高的主要因素. 在此基础上, 采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)造孔剂对氢电极支撑层的微观结构进行了调整和优化. 微结构优化后, 氢电极材料的孔隙率提高了50%, 孔隙为规则圆形, 分布均匀, 更利于气体扩散; 电解电压1.3 V时, 单位面积产氢率高达328.1 mL·cm^-2·h^-1(标准态), 为改进前电解池的2倍, 实现50 h以上连续稳定性运行. 研究成果可为HTSE的实际应用提供一定的理论数据和技术基础.