基于高度非对称结构电解质中空纤维的微管式固体氧化物燃料电池制备

提出了一种简单而方便的微管式固体氧化物燃料电池(MT-SOFCs)的制备新方法.首先应用改进相转化-烧结技术制备由致密电解质表皮薄层和多孔支撑层构成的高度非对称结构电解质中空纤维膜(微管),在电解质中空纤维膜的多孔支撑层内通过化学镀法沉积Ni催化剂作为电池阳极,而致密电解质表皮层直接作为电解质膜,在电解质微管外表面用浆料涂层法制备电池的多孔阴极,烧结后即得到完整的MT-SOFC.应用该方法制备了Ni-YSZ|YSZ|LSCF微管式电池,该电池以H2/空气作原料气,在800℃时最大输出功率达到159.6mWcm-2.     

管式电解质支撑型直接碳固体氧化物燃料电池的浸渍法制备及电性能

管状电解质支撑型固体氧化物燃料电池(SOFC)具有稳定性高、电极选择范围广、易封接等优点,很适合应用于直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)现阶段的基础研究中。为实现管状电解质支撑型SOFC的便捷制备,本研究开发了管状YSZ(钇稳定化氧化锆)电解质支撑膜的浸渍法制备工艺。组装了电极材料为Ag-GDC(钆掺杂氧化铈)的电解质支撑型SOFC单电池。测试了单电池分别以加湿氢气和担载5%(w,质量分数)Fe的活性炭为燃料,环境空气为氧化剂的电性能。电池的开路电压接近理论值,且扫描电镜分析结果表明电解质膜致密。单电池以活性碳为燃料在800°C取得了280 m W?cm~(-2)的最大功率密度,接近其以加湿氢气为燃料的330 m W?cm~(-2)。交流阻抗谱结果表明YSZ电解质的欧姆电阻是影响电池性能的主要原因。DC-SOFC以恒电流1 A放电,运行了2.1 h,燃料利用率为36%。DC-SOFC二次装载碳燃料后的电性能几乎与初次的性能一样,表明制备的YSZ电解质支撑膜可稳定的应用于DC-SOFCs中。分析了DC-SOFC放电过程中电性能衰减的机制。     

低温制备掺杂氧化锆/氧化铈电解质

固体氧化物燃料电池(SOFC)及其组元的低温制备有利于材料和电池性能的优化,降低制备成本.立方相的全致密氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质是SOFC中最通用的电解质.传统的烧结工艺需要在1 400-1 450℃才能实现YSZ电解质的致密,而使用纳米粉体和三步烧结工艺可以在1 200-1 300℃得到致密电解质.氧化钪稳定...     

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.     

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 .     

真空注浆法制备YSZ电解质膜管及其在固体氧化物燃料电池中的应用

以吡啶为分散剂,采用真空注浆法制备出膜厚为0.2mm、长度为140mm的致密YSZ电解质膜管。研究了烧结温度对样品致密度和离子导电率的影响.用1650℃烧结2h制备的致密YSZ电解质膜管组装成固体氧化物燃料电池,以氢气和煤气为燃料,研究了电池在500～900℃的电化学性能.实验结果表明,用真空注浆法可制备出高质量和高密度的YSZ电解质膜管,在1600℃烧结后,其相对密度已达到理论密度的98.1%,接近理论密度.单电池的开路电压最大值为1.213V,最大输出功率为0.48W.以氢气为燃料的燃料电池性能明显高于以煤气为燃料的电池性能.     

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.     

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.     

YSZ电解质薄膜的制备方法

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cells, SOFC)和固体氧化物电解池(solid oxide electrolytic cells, SOEC)制备的关键技术之一是在保证致密性的前提下将Y2O3稳定ZrO2(yttria-stabled zirconia, YSZ)电解质薄膜化.本文将YSZ电解质薄膜制备方法归类为陶瓷粉末法、化学法和物理法,综述了近年来这些方法的研究进展.通过对每种方法技术特点的说明和实例举证,探讨了这些方法的优、缺点和适用场合.最后,通过分析和比较,对YSZ薄膜化方法未来的发展进行了展望.     

双过渡层阴极对流延法制备的阳极支撑直接碳固体氧化物燃料电池性能的改善作用

采用流延法制备了阳极支撑的固体氧化物燃料电池(SOFC),电解质材料为钇稳定化氧化锆(YSZ),阳极为镍和YSZ构成的金属陶瓷(Ni-YSZ),阴极为LSCF-GDC/LSCF复合材料,同时在阴极与电解质之间制备了YSZ-GDC/GDC双过渡层。分别采用含3%的加湿H_2和活性炭为燃料,对此电池的输出性能及阻抗谱进行测试。采用加湿H_2测试的结果表明:在800℃下,采用双过渡层电池的开路电压达到1 V,最大功率密度为680 mW·cm~(-2),比未改良电池的最大功率密度(372 mW·cm~(-2))提高了83%。直接采用固体碳为燃料时,具有双过渡层阴极的电池在850℃时的开路电压达到0.95 V,最大输出功率密度达429 mW·cm~(-2),几乎比无过渡层阴极的电池(225 mW·cm~(-2))高出1倍,特别是双过渡层阴极还使直接使用碳燃料的SOFC(DC-SOFC)的燃料利用率提高了33%。     

多层膜结构BaCe0.9Nd0.1O3-δ的制备及其在常压合成氨中的应用

用干压法制备了Ni-BaCe0.9Nd01O3-δ多孔金属陶瓷阳极,并在阳极基膜上制备出致密的BaCe0.9Nd0.1O3-δ固体电解质薄膜.薄膜的厚度约为40 μm,致密均匀.测定了多层膜结构BaCe0.9Nd0.1O3-δ在干燥氮气/湿润氢气气氛中的电导率,结果表明其电导率要比厚膜BaCe0.9Nd0.1O3-δ和SrCe0.95Y0.05O3-δ(SCY)要高.将多层膜材料用于固态质子传导电池中,在常压下以氮气和氢气为原料合成了氨气.结果表明,与SCY固体电解质比较,氨的产率提高了一个数量级以上.     

NiO-YSZ-石墨水系浆料的研制及其在注浆成型制备固体氧化物燃料电池中的应用

Ni-YSZ(钇稳定氧化锆)金属陶瓷普遍被用作固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极材料,其氧化物浆料的性质对湿法制备的SOFC的性能具有重要影响. 通过zeta 电位分析,研究了NiO-YSZ双分散相水系浆料的稳定性. 对六种分散剂作用于NiO、YSZ 表面的zeta 电位进行研究,发现采用的阴离子分散剂和两性分散剂使NiO 和YSZ在水中带有相反电荷而引起迅速絮凝; 采用阳离子分散剂聚二烯二甲基氯化铵(PDAC)时,NiO 和YSZ因带有正电荷相互排斥而稳定分散于水中,在此基础上,加入作为SOFC阳极造孔剂的石墨,采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为石墨的分散剂,制备出了NiO-YSZ-石墨的稳定水系浆料. 采用此浆料通过注浆成型制得阳极支撑管,进而组装成SOFC单电池. 该单电池在800℃时最大功率密度达到509 mW·cm^-2; 扫描电镜(SEM)分析表明电极与电解质间接触良好,阳极孔洞分布均匀.     

NiO-YSZ-石墨水系浆料的研制及其在注浆成型制备固体氧化物燃料电池中的应用

Ni-YSZ(钇稳定氧化锆)金属陶瓷普遍被用作固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极材料,其氧化物浆料的性质对湿法制备的SOFC的性能具有重要影响.通过zeta电位分析,研究了NiO-YSZ双分散相水系浆料的稳定性.对六种分散剂作用于NiO、YSZ表面的zeta电位进行研究,发现采用的阴离子分散剂和两性分散剂使NiO和YSZ在水中带有相反电荷而引起迅速絮凝;采用阳离子分散剂聚二烯二甲基氯化铵(PDAC)时,NiO和YSZ因带有正电荷相互排斥而稳定分散于水中,在此基础上,加入作为SOFC阳极造孔剂的石墨,采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为石墨的分散剂,制备出了NiO-YSZ-石墨的稳定水系浆料.采用此浆料通过注浆成型制得阳极支撑管,进而组装成SOFC单电池.该单电池在800°C时最大功率密度达到509 mW·cm-2;扫描电镜(SEM)分析表明电极与电解质间接触良好,阳极孔洞分布均匀.     

Ag-GDC复合电极的性能及其在直接碳SOFC中的应用

制备了Ag与Gd掺杂的氧化铈(GDC)复合的电极材料。采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质,Ag-GDC为阴极和阳极,组装成固体氧化物燃料电池(SOFC),采用担载5%(质量分数)Fe的活性炭为SOFC的燃料,对此直接碳SOFC(DC-SOFC)的输出性能及阻抗谱进行测试,并与采用传统阴极(掺Sr的锰酸镧与YSZ的复合材料)的DC-SOFC性能进行了比较,发现Ag-GDC具有更好的性能。采用扫描电镜(SEM)对电池的微观结构进行了分析,并就其对电池性能的影响进行了分析。     

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。     

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。     

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…     

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。     

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.