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。     

Co掺杂La1.5Sr0.5Ni1-xCoxO4+δ阴极材料的制备及其电化学稳定性能

利用溶胶凝胶法合成了La_1.5Sr_0.5NiO_4+δ掺杂Co的阴极材料La_1.5Sr_0.5Ni_1-xCo_xO_4+δ (x=0、0.2、0.4、0.6)。通过X射线衍射、X射线光电子能谱、热重、热膨胀系数的测定和扫描电镜等技术探究了材料的相结构、元素组成、热力学性能和表面形貌。结果表明,所合成的样品为具有类钙钛矿型结构的单一纯相,掺杂Co元素使材料的热膨胀系数有所提高。将该材料应用于固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极,进行了电导率及电化学阻抗谱的测定。结果发现,La_1.5Sr_0.5Ni_1-xCo_xO_4+δ的电导率随着Co元素掺杂量的提高而升高,当x=0.4时La_1.5Sr_0.5Ni_0.6Co_0.4O_4+δ     

单室固体氧化物燃料电池阴极材料La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3的电化学性能研究

采用高温固相法制备了La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3(LSCM)并利用XRD,SEM以及电化学阻抗谱(EIS)分别对粉体及电极进行研究。结果发现LSCM在C3H8-O2-N2混合气氛下能够保持很好的高温化学稳定性,且与电解质材料YSZ在1400℃空气气氛下不发生化学反应。电化学测试结果表明,阳极支撑型单室固体氧化物燃料电池Ni-YSZ|YSZ|LSCM在700℃、C3H8-O2-N2混合气氛下的短路电流密度达317 mA·cm-2,最大功率密度73 mW·cm-2。将LSCM与CGO形成梯度阴极,相同测试条件下,单室电池的短路电流密度为560 mA·cm-2,功率密度达到110 mW·cm-2,电池输出性能提高约50%。     

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.     

Sr2MgMoO6阳极材料制备与催化性能

通过溶胶-凝胶过程制备了固体氧化物燃料电池双钙钛矿阳极材料Sr₂MgMoO₆（SMMO）,研究了样品制备过程对材料的相态结构组成、传输性能、H₂氧化催化活性等方面的影响。结果表明,SMMO对制备过程的要求高,难以通过简单一步退火反应获得相态纯净的双钙钛矿结构,高纯度的SMMO需要经过反复混合及充分退火反应制取,同时样品中少量的杂质相SrMoO₄也很难彻底消除;样品中的杂质对材料的电导率有明显影响,纯度越高,材料的导电传输性能越好;SMMO的纯度对阳极材料的电化学性能影响很大,纯度越高,阳极的界面阻力越小,阳极催化氧化H₂的性能越好,对应单电池的输出功率越大;在800℃下,SMMO阳极的界面电阻低至1.07 Ω·cm²,对应单电池的输出功率可达710 mW·cm^-2。     

可逆单部件燃料电池双功能催化剂La0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3的制备及电化学性能研究

利用SBA-15硬模板合成La_0.5Sr_0.5Co_0.2Fe_0.8O₃(LSCF)钙钛矿材料,通过研究LSCF的电化学性能,探究制备溶剂(甲醇/乙醇)对LSCF结构、表面性质及电化学性能的影响。结果表明,乙醇溶剂制备的LSCF具有更大的比表面积和更多的氧空位浓度,从而表现出更高的电导率以及对氧还原反应(ORR)和氢氧化反应(HOR)更好的催化活性。这是因为乙醇溶剂制备的LSCF具有更多的Co²⁺/Co³⁺和Fe²⁺/Fe³⁺电子对,促进了材料的电子传导。此外,对于HOR,电极反应的速率控制步骤(RDS)是吸附的氢原子转移到反应位点;吸附的氧原子在LSCF上的还原是ORR反应的RDS。此外,由乙醇溶剂制备的LSCF组成的可逆单部件电池(RSCC)具有更好的放电和电解水性能。700℃,H₂-30%H₂O燃料下,RSCC的最大功率密度为232.9 m W...     

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。     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Nd2-xSrxCuO4的制备与性能研究

采用固相法合成了类钙钛矿结构的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阴极材料Nd2-xSrxCuO4(简称NSC,x=0.0～0.1).通过XRD和SEM对材料进行了表征.结果表明该阴极材料与电解质Ce0.9Gd0.1O1.9(CGO)在1 000℃烧结4 h后不发生化学反应,具有良好的化学相容性;且烧结后二者之间能形成良好的接触界面.利用交流阻抗谱研究了电极的性能.发现随着Sr掺杂量的增加,极化电阻逐渐减小,其中Nd1.93Sr0.07CuO4在空气中的极化电阻最小,750℃时仅为0.14 Ω·cm2.700℃时,电极反应的速率控制步骤为电极上发生的电荷转移过程.     

BaCe0.8Y0.2O3-α固体电解质的离子导电性及其燃料电池性能

用高温固相反应合成了BaCe08Y02O3-α固体电解质,用氢浓差电池和氧浓差电池方法研究了它的离子导电特性.以该氧化物为固体电解质,多孔性Pt为电极材料,组成氢-空气燃料电池,测定了该燃料电池的电流-电压特性.研究发现,BaCe0.8Y0.2O3-α在氢气中几乎是一个纯的质子导体,在氧气中是一个氧离子和电子空穴的混合导体,其燃料电池的开路电压(OCV)接近于理论值,最大输出电流密度约为820mA@cm-2(1000℃),最大输出功率密度约为200mW@cm-2(1000℃),放电性能稳定,具有良好的电池性能.     

PrGa1-xMgxO3作为燃料电池固体电解质的研究

用固相反应法合成了具有正交钙钛矿结构的PrGa1-xMgxO3（x=0,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25)通过掺杂,样品的电导率显著提高,活化能降低,所有样品均以离子导电为主,其中PrGa0.9Mg0.1O3的氧离子电导率最高,在800℃达到0．05S／cm,PrGa0.8Mg0.2O3的导电活化能量低,为24．19kJ/mol。随着温度的升高,样品的离子迁移数增加,PrGa0.9Mg0.1O3作为电解质的燃料电池在940℃短路电流密度为0．45A／cm^2,最大功率密度达0131W／cm^2,镁掺杂的PrGaO3是一种性能优良的固体电解质。     

中温固体氧化物燃料电池复合阴极La1.6Sr0.4NiO4-Ce0.9Gd0.1O1.9的制备及性能研究

Composite cathodes consisting of -La_1.6Sr_0.4NiO₄(LSN) and -Ce_0.9Gd_0.1O_1.9(CGO) has been prepared for intermediate temperature solid oxide fuel cell (IT-SOFC). The chemical stability, microstructures and electrochemical performance of the cathode have been investigated using XRD, SEM and AC impedance spectroscopy. Results showed that strong bonding was formed between the composite electrodes and CGO electrolytes after the electrodes were fired at 1 050 ℃ for 4 hours. The polarization resistance changed with oxygen partial pressure, suggesting that charge transfer process was the rate limiting step for electrochemical oxygen reduction at the composite cathodes. Area specific resistance (ASR) for a LSN-40CGO composite cathode was 0.76 Ω·cm² at 700 ℃, which was four times lower than that of a pure LSN cathode. 1.7％ decrease of the cathode current density was observed in the stability test of the composite cathode.     

固体氧化物燃料电池Cr毒化La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)阴极机理

从电化学阻抗谱和阴极极化等方面对Cr毒化La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)阴极机理进行了研究.     

Ba0.95Ce0.9Y03-α固体氧化物燃料电池性能

以Ba0.95Ce0.9Y0.1O3-α为固体电解质,Pt为电极,组成氢-空气燃料电池,测定了该电池600～1000℃下电流-电压特性、电极极化特性和电解质中各电荷载流子(质子、氧离子、电子空穴)迁移数及其电导率.实验表明,该电池放电性能良好,能稳定地输出电能,1000℃时的最大输出电流密度为680 mA@cm-2.正、负Pt电极极化特性很小,放电时的电压耗损主要由电解质电阻产生.在氢-空气燃料电池条件下,Ba0.95Ce0.9Y0.1O3-α显示混合离子(质子+氧离子)导电性.随着温度升高,质子迁移数减小而氧离子迁移数增大,当温度为780℃时,质子和氧离子迁移数相同(0.46),在低于780℃时,质子电导占优势,而在高于780℃时,氧离子电导占优势.     

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。     

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.     

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-La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O_3-δ-Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ复合阳极为支撑、以Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ(GDC)为电解质、以La_0.8Sr_0.2Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(LSCF)-Ce_0.8Gd_0.2O_2-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。     

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%。     

基于La0.6Ca0.4Fe0.7Sc0.1Ni0.2O3-δ氧电极的可逆固体氧化物电池性能研究

本研究制备了10%Sc掺杂的La_0.6Ca_0.4Fe_0.7Sc_0.1Ni_0.2O_3-δ(LCFSN)材料,采用半电池研究了该材料的氧还原催化活性(ORR)和氧析出催化活性(OER),发现LCFSN的ORR催化活性优于OER催化活性。组装了Ni-YSZ((Y₂O₃)_0.08(ZrO₂)_0.92)/YSZ/GDC(Gd_0.1Ce_0.9O_2-δ)/LCFSN全电池并研究了其在燃料电池模式(SOFC)和电解池模式(SOEC)下的电化学性能,电池在800℃以H₂为燃料时的最高功率密度可达1.471 W/cm²,在750℃, 50%H₂O和1.3 V热中性电解电压条件下其产氢速率高达627 mL/(cm²·h...     

以甲醇为燃料的中温固体氧化物燃料电池性能研究

制备了阳极负载型LDC-LSGM双层电解质薄膜电池.考察了单电池在分别使用甲醇和氢气两种燃料时,不同温度下的I～V性能.以甲醇为燃料,以空气为氧化剂时,800℃下的最大输出功率密度为1.07W/cm²,而使用氢气为燃料时,最大输出功率密度为1.54W/cm².通过交流阻抗研究了造成甲醇性能降低的可能原因.结果表明,以甲醇作为燃料时,单电池性能较氢气作为燃料时低.     

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Gd.0.8Sr0.2Co1-yFeyO3-δ(y=0-1),所合成的初始粉体在800℃下煅烧12 h后均形成了钙钛矿结构的单相固溶体.研究发现,Gd1-xSrxCoO3-δ(GSC)的电导率在600℃时达到了559 S·cm-1,由Ce0.8Cd0.2O2-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·cm2和0.064Ω·cm2,活化能仅为87.8 kJ·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Cd0.8Sr0.2CoO3-δ/GDC复合阴极材料.