中温固体氧化物燃料电池La1.6Sr0.4Ni1-xCuxO4阴极材料的制备及电化学性能

采用甘氨酸-硝酸盐法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La_1.6Sr_0.4Ni_1-xCu_xO₄ (x=0.2, 0.4, 0.6,0.8), 利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其结构和微观形貌进行了表征. 结果表明, 该阴极材料与固体电解质Ce_0.9Gd_0.1O_1.95(CGO)在1000 °C烧结时不发生化学反应, 且烧结4 h 后, 二者之间可形成良好的接触界面. 利用电化学交流阻抗谱技术对阴极材料的电化学性能进行研究, 结果显示, 当Cu离子掺杂量(x)为0.6 时, La_1.6Sr_0.4Ni_0.4Cu_0.6O₄阴极具有最小的极化电阻, 在空气中当测试温度为750 °C时, 极化电阻为0.35 Ω·cm². 在不同氧分压条件下电化学阻抗谱分析结果表明, 电极上的两个氧还原反应主要包含氧离子从三相界面向电解质CGO 转移的过程和电荷的迁移过程, 其中电荷的迁移过程为电极反应的速率控制步骤.La_1.6Sr_0.4Ni_0.4Cu_0.6O₄电极在空气中700 °C和阴极电流密度为45 mA·cm^-2时, 阴极过电位为45 mV. 本研究的初步结果表明La_1.6Sr_0.4Ni_1-xCu_xO₄材料是一种电化学性能较为优良的新型中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阴极材料.     

Gd1-xSrxCoO3-δ和Gd0.8Sr0.2Co1-yFeyO3-δ系阴极材料的制备和性能

采用甘氨酸-硝酸盐（GNP）法合成了新型中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）的阴极材料Gd1-xSrxCoO3-δ（x=0～0.5）和Gd0.8Sr0.2Co1-yFeyO3-δ（y=0～1）,所合成的初始粉体在800℃下煅烧12h后均形成了钙钛矿结构的单相固溶体。研究发现,Gd0.8Sr0.2CoO3-δ（GSC）的电导率在600℃时达到了559S·cm^-1,由Ce0.8Gd0.2O2-δ（GDC）电解质和GSC-25GDC材料组成的对称电极在600℃和700℃的界面阻抗分别为0.170Ω·cm^2和0.064Ω·cm^2,活化能仅为87.8kJ·mol^-1,预示其可以作为ITSOFC较为理想的阴极备选材料;随着Fe3＋离子含量的增加,Gd0.8Sr0.2Co1-yFeyO3-δ系列阴极材料的热膨胀系数显著降低,但其电导率也急速下降;此外,通过调整Gd0.8Sr0.2CoO3-δ与GDC的比例可以制备出热膨胀系数与GDC电解质匹配、性能良好的Gd0.8Sr0.2CoO3-δ/GDC复合阴极材料。     

掺银的Sm0.5Sr0.5CoO3中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的制备与性能研究

采用硝酸盐分解方法在Sm0.5Sr0.5CoO3 (SSC)中掺入少量的银 (Ag), 形成可用于SOFC的多孔阴极材料 (SSC-Agx). 通过X射线衍射测试确定了材料的物相组成; 用SEM观测了中温电解质Ce0.8Sm0.2O1.9表面涂层电极的微结构; 利用电化学极化曲线和阻抗谱研究了这些材料中低温 (500～800 ℃)电化学性能, 确定掺Ag量和烧结温度对阴极电化学性能的影响. 结果表明, SSC在中温区掺20% Ag时具有最佳的电化学性能, 在600 ℃阴极总阻抗是SSC的1/11, 在750 ℃为SSC的1/4, SSC中掺Ag是提高阴极在中温区电化学性能的有效途径.     

中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料LSM-CBO的制备及性能研究

采用柠檬酸络合法为中温固体氧化物燃料电池制备了La0 .85Sr0 .15MnO3 Ce0 .7Bi0 .3 O2 (LSM CBO)复合阴极材料 ,利用XRD和SEM对材料进行了表征 .结果表明该复合材料在 10 0 0℃以内烧结时不发生反应 ,且在 90 0℃烧结 2h条件下 ,电极与Ce0 .9Gd0 .1O2 (CGO)电解质可形成良好的接触 .复合电极在 70 0℃ ,0 .6V阴极极化电势下处理 96h ,也没有发现可检测到的其它物相 .我们同时使用交流复阻抗谱和直流极化技术研究了电极的电化学性能 ,结果表明氧在电极表面的吸附是阴极反应的速率控制步骤 ,且随着CBO含量的增加电极极化电阻减小 ,最小值达到 2 2 3Ω·cm2 ,出现在掺杂 3 0wt %CBO的LSM复合电极中     

中温固体氧化物燃料电池Sc掺杂锰酸锶镧阴极材料

采用改进的柠檬酸法合成了Sc掺杂的锰酸锶镧(LSM)材料(LSMS), 即La0.8Sr0.2Mn1-xScxO3±δ (简写为LSMSx, x=0, 0.02, 0.05和0.1)复合氧化物. 采用X射线衍射(XRD)、程序升温还原(H2-TPR)及电化学方法分别对合成材料的结构、还原行为及以LSMSx-YSZ(即LSMSx与8%Y2O3掺杂的ZrO2复合物)为阴极的中温固体氧化物燃料电池的性能进行了表征. XRD结果表明,在焙烧温度900 ℃、 Sc掺杂量较低(x<0.1)时LSMS材料能形成纯钙钛矿结构,随着掺杂量和焙烧温度提高, LSMS发生了不同程度的Sc2O3偏析现象. H2-TPR结果表明,焙烧温度对材料还原峰的形状和温度影响较大. 由于Sc的掺杂以及Sc2O3的析出在样品结构中引入了结构缺陷,提高了LSMS中Mn4+和氧空位的浓度,加快了体相氧的迁移,改善了材料的还原性. 但是随着Sc含量和焙烧温度提高, Sc掺杂对样品的还原活性改善不明显,这是由于Sc2O3偏析量增加引起的. 电化学方法表征结果表明, LSMSx-YSZ复合阴极电池性能受Sc掺杂量、操作温度及阴极焙烧温度的影响. 在本研究的掺杂范围内, Sc的掺杂显著提高了LSM基阴极低温操作的性能. 这主要是由于Sc掺杂LSMS-YSZ复合阴极中氧空位的数目增加,导致阴极对氧还原反应的电化学活性提高,改善了LSM基阴极由于氧空位不足引起低温下极化损失严重的问题.     

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.     

中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)阴极材料La2-xSrxNiO4的制备及性能研究

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La_2-xSr_xNiO₄(简称LSN，x=0.0、0.2、0.4、0.6、0.8)，利用XRD和SEM对其结构和微观形貌进行了表征。结果表明该阴极材料与电解质Ce_0.9Gd_0.1O_1.9(CGO)在1 100 ℃烧结时不发生反应，且烧结2 h后，二者之间可形成良好的接触界面。交流阻抗谱技术对该电极的电化学性能的研究结果表明，电极反应的速率控制步骤为电极上发生的电荷迁移反应，其中La_1.6Sr_0.4NiO₄电极在空气中700 ℃下的极化电阻为2.93 Ω·cm²。     

中低温固体氧化物燃料电池阴极材料

固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为一种高效的能量转化装置,其成功应用将有效地节约能源和降低能源利用过程中环境污染物的排放,对人类社会的可持续发展意义重大.低温化可加快SOFCs商品化的步伐,而其关键在于开发高性能的阴极材料.本论文对近年来在中低温SOFCs阴极材料方面的研究进展进行了较全面的综述,其中包括Ba0.5S...     

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.     

Pr1－xSrxAlO3－δ的合成及其作为固体氧化物燃料电池阴极的性能研究

采用固相反应法合成了一系列样品Pr_1－xSr_xAlO_3－δ (x＝0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5). XRD结果表明, Sr在A位上的固溶度约为20%; 利用交流阻抗法测量了样品的电导率, 结果表明, 电导率随着Sr掺入量的增加而增大, Pr_0.8Sr_0.2AlO_3－δ的电导率最大, 在850 ℃达到0.02 S/cm; 离子迁移数的测试结果说明, Pr_1－xSr_xAlO_3－δ为离子电子混合导体; 考察了它们作为固体氧化物燃料电池(SOFCs)阴极的性能, 极化曲线和阻抗的测试结果表明, 阴极性能随着Sr掺入量的增加而提高; 阴极稳定性测试结果表明, 在测量时间范围内, 阴极过电位随时间缓慢下降.     

Advancements in Perovskite-Based Cathode Materials for Solid Oxide Fuel Cells: A Comprehensive Review

The high-temperature solid oxide fuel cells (SOFCs) are the most efficient and green conversion technology for electricity generation from hydrogen-based fuel as compared to conventional thermal power plants. Many efforts have been made to reduce the high operating temperature (>800 °C) to intermediate/low operating temperature (400 °C<T<800 °C) in SOFCs in order to extend their life span, thermal compatibility, cost-effectiveness, and ease of fabrication. However, the major challenges in developing cathode materials for low/intermediate temperature SOFCs include structural stability, catalytic activity for oxygen adsorption and reduction, and tolerance against contaminants such as chromium, boron, and sulfur. This research aims to provide an updated review of the perovskite-based state-of-the-art cathode materials LaSrMnO₃ (LSM) and LaSrCOFeO₃ (LSCF), as well as the recent trending Ruddlesden-Popper phase (RP) and double perovskite-structured materials SOFCs technology. Our review highlights various strategies such as surface modification, codoping, infiltration/impregnation, and composites with fluorite phases to address the challenges related to LSM/LSCF-based electrode materials and improve their electrocatalytic activity. Moreover, this study also offers insight into the electrochemical performance of the double perovskite oxides and Ruddlesden-Popper phase materials as cathodes for SOFCs.     

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。     

Preparation and Electrochemical Performance of Cobalt-free Cathode Material Ba0.5Sr0.5Fe0.9Nb0.1O3-δ for Intermediate-temperature Solid Oxide Fuel Cells

Perovskite oxide Ba0.5Sr0.5Fe0.9Nb0.1O3-δ（BSFN） as a cobalt-free cathode for intermediate-temperature solid oxide fuel cells（IT-SOFCs） on the Ce0.5Sm0.2O1.9（SDC） and La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.23O3-δ（LSGM） electrolytes was prepared and investigated. The single phase BSFN oxide with a cubic perovskite structure and relatively high elec- trical conductivities was obtained after sintering at 1250℃ for 10 h in air. The BSFN cathode exhibited excellent chemical stability on the SDC and LSGM electrolytes at temperatures below 950 ℃. The area specific resistance of the BSFN cathode on the SDC and LSGM electrolytes were 0.024 and 0.021 Ω·cm2 at 800℃, respectively. The maximum power densities of the single cell with BSFN cathode in 300 μm-thick SDC and LSGM electrolytes achieved 414 and 516 mW/cm2 at 800℃, respectively. These results show that the BSFN material is a promising co- bait-free cathode candidate to be used in IT-SOFCs. A combination of the BSFN cathode and LSGM electrolyte is preferred owing to its excellent electrochemical performance.     

平板式氧化物燃料电池（SOFC）研制及性能考察

对固体氧化物燃料电池进行研制。在ＹＳＺ固体电解质上制备成功Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３阴极和Ｎｉ－ＹＳＺ陶瓷阳极，并解决了高温无机密封技术难题，组装出平板式ＬＳＭ．ＹＳＺ．Ｎｉ－ＹＳＺ单电池。     

单气室固体氧化物燃料电池的材料、微堆结构与相关应用

单气室固体氧化物燃料电池（SC-SOFC）是一种整个电池处在单一气室中,阳极和阴极分别对混合气体中的燃料和氧气进行选择催化产生电动势的特殊结构燃料电池. SC-SOFC因其独特的原理和结构而具有无需密封、易于堆叠、可以快速启动和不易发生积碳等诸多优点,有很大的应用潜力. 作者在SC-SOFC的原理和特点的基础上,系统地总结了SC-SOFC所用材料、微堆结构设计、衰退机制及应用方面的研究进展;以提高SC-SOFC微堆的输出电压和功率为目的,改进预混气体环境下运行的微堆结构,采取星型布局的四电池微堆其输出功率提高到420 mW;随后,逐步改进供气方式,结合计算流体力学数值模拟研究,提出了单路多点供气和双路多点供气模式,成功地将单个SC-SOFC微堆模块的输出功率提升到8.178 W,进而开展了微堆模块外部串并联和与燃烧器的结合实验验证. 研究结果表明,SC-SOFC可以很便捷地连接成微堆模块并产生数瓦的输出功率,未来有望用于以供热为主型的热电联供系统. 作者还借助原位电阻和开路电压的原位同步测试,阐明了Ni在CH₄-O₂气氛中的反复氧化-还原循环是SC-SOFC发生不可逆衰退的主要机制,这一发现后来催生出氧化-还原法制备多孔金属的新技术.     

中温燃料电池阴极材料la0.6sr0.4fe0.8co0.2o3的合成与性能

固体氧化物燃料电池;阴极材料;溶胶-凝胶法     

Influence of NaCl on Cathode Performance of Solid Oxide Fuel Cells

Degradation induced by sodium chloride in air was investigated for (La_0.8Sr_0.2)_0.98MnO₃(LSM) and La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃(LSCF) cathodes in solid oxide fuel cells(SOFC). Cell performance was measured by volatilizing NaCl to be supplied to the cathode at a constant current density of 200 mA/cm² for up to 100 h. At 800 ℃, an exposure of the cathode to 30 mg/L NaCl caused negligible degradation of LSM at least for 100 h. Slight change in the composition of the cathode materials was observed which may imply the gradual degradation of cell performance for the long-term. In addition, cell performance degradation was compared between 700 ℃ and 900 ℃, being poisoned by 30 mg/L NaCl. Degradation was negligible for LSM cathode, while LSCF cathode showed slightly poor tolerance at 700 ℃ due to the decomposition of the cathode material. Further studies should be done to clarify the long-term influence of NaCl on cathode performance.     

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.