一种高活性Ni掺杂La_(0.6)Sr_(0.4)FeO_(3-δ)作为碳基燃料固体氧化物燃料电池对称电极（英文）

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种在中高温下可以直接将储存在燃料中的化学能转换成电能的全固态电化学反应装置.因其具有能量转换效率高、环境友好、全固态结构以及可以使用碳氢化合物燃料等优点,近年来受到了广泛的关注.在诸多电极材料当中,Ni基金属陶瓷是SOFCs中最常使用的阳极材料,这是由于金属Ni具有优良的电子电导和催化性能.然而当使用碳基化合物燃料时,传统的Ni金属陶瓷阳极材料面临严重的积碳、Ni颗粒长大以及硫中毒等问题.这些问题不仅会影响SOFCs的寿命,而且还会严重地降低SOFC的商业化进程.因此,开发具有高催化活性、抗积碳的阳极材料对碳氢化合物为燃料的固体氧化物燃料电池的发展至关重要.与金属基阳极相比,氧化物阳极的热膨胀系数与电解质材料更匹配,性能的可调控性更强.铁酸锶镧(LSF)是一种分子式为ABO_3的钙钛矿结构的氧化物,在高温下具有较高的电子电导率.据报道LSF作为阴极材料时,表现出了良好的性能.但是LSF作为阳极材料时,却存在着催化性能不足的问题.我们研究了Ni掺杂的La_(0.6)Sr_(0.4)FeO_(3-δ)(LSFN),以提高其作为SOFCs阳极材料的催化性能.同时采用将LSFN在SOFC工作气氛下原位还原的方法,在LSFN颗粒表面原位生长出分布均匀的纳米颗粒.透射电镜分析结果表明该偏析的颗粒为Ni-Fe合金.有报道显示,Ni-Fe合金对碳氢化合物氧化具有良好的催化活性,所以在LSFN颗粒表面生成这种合金颗粒有利于提高阳极材料的催化活性.对于Ni-Fe合金以均匀的纳米颗粒析出的原因,还有待进一步研究.为了研究LSFN作为SOFC电极材料的性能,我们采用浸渍法将LSFN前驱体溶液浸渍到氧化钇稳定氧化锆(YSZ)一体化电池的对称多孔骨架中,经过焙烧,得到了具有对称结构的SOFC单电池.所使用的YSZ一体化骨架为中间层薄而致密,两边厚而多孔的三层结构,这种结构可以显著地降低电解质的厚度,从而达到降低单电池的阻抗的目的.这一新型对称电池结构具有如下优点:阳极表面上可能发生的硫毒化和积碳问题有可能通过将阳极和阴极反用而消除;氧化剂(空气)将冲走吸附在电极上的硫和碳粒子,从而使电极得以再生.此外,氧化还原稳定的阴极预期将提高阴极的寿命.对单电池的电化学测试结果表明,LSFN电极材料的最佳浸渍量为30wt%,这是因为较低的LSFN浸渍量((27)30wt%),不能形成连续的电子传导网络,电极的电子传导能力不足;而LSFN电极材料的浸渍量高于30wt%时则会降低电极反应的三相界面,从而影响电池的性能.在750oC下,LSFN为电极的单电池在以湿润C_3H_8为燃料时其开路电压(OCV)达到了约1.18V,高于以H_2为燃料电池的电压.以CH_4为燃料时,LSFN为电极的单电池的开路电压远高于LSF为电极的单电池.在750oC下,以C_3H_8为燃料时,LSFN和LSF为电极的电池的峰值输出功率密度分别达到400和230mW/cm~2.这些结果表明,通过Ni掺杂和原位焙烧,在LSFN电极颗粒表面制备了均匀分布的Ni-Fe合金纳米颗粒,极大地提高了铁酸锶镧材料对碳基燃料的催化活性.长期放电测试结果表明,LSF为电极的单电池在测试过程中,尾气可以收集到类似焦油状的黑色物质;而LSNF为电极的单电池在测试过程中并没有观察到明显的焦油状物质生成.通过气相色谱-质谱联用分析,发现所产生的焦油状物质主要成分是含苯环、碳碳双建或碳碳三键的烃类.这说明LSF电极只能使C_3H_8部分氧化,LSFN对C_3H_8等碳氢化合物燃料的氧化具有高的催化活性和良好的耐久性.Ni掺杂的La_(0.6)Sr_(0.4)FeO_(3-δ)阳极材料是一种有希望的碳基燃料SOFCs对称电极.     

银基陶瓷复合电极的电性能及其在固体氧化物燃料电池中的应用

银基陶瓷复合电极可望在中低温固体氧化物燃料电池(SOFCs)、含碳燃料SOFCs和固体氧化物电解池(SOECs)中得到广泛应用。为优选出银基陶瓷复合电极的成分,本研究采用YSZ(钇稳定化氧化锆)电解质,先将Ag-YSZ和Ag-GDC(掺钆氧化铈)材料制备成对称电极,测试其在空气下的阻抗谱,由此判断其作为阴极的性能;发现在相同的Ag含量时, Ag-YSZ的阴极极化电阻普遍低于Ag-GDC;当Ag的质量分数为65%时, Ag-YSZ的极化电阻最低,而对于Ag-GDC, Ag的质量分数是70%。然后采用空气中极化电阻最低的Ag-YSZ和Ag-GDC作为电极制备了SOFC单电池,并采用加湿氢气燃料对电池的电化学性能进行了测试。根据电池的阻抗谱数据,将极化阻抗的数值减去上述阴极阻抗的数值可得到阳极阻抗值,其结果和电池的输出特性均表明, Ag-GDC作为阳极的性能优于Ag-YSZ,即在本实验条件下, Ag-YSZ更适合用作阴极,而Ag-GDC更适合用作阳极。本研究不仅提供了关于银基复合电极材料的有用数据,还提供了一种测试SOFC阳极极化电阻的方法。     

Ni-Fe/SDC电池阳极材料的制备和性能表征

采用硝酸盐-柠檬酸法合成了具有高比表面积的一系列Ni-Fe氧化物和电解质Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC), 利用上述材料制备出固体氧化物燃料电池(SOFC)复合阳极材料Ni-Fe/SDC, 并对其微结构和相关性能进行测试. 结果表明: 该复合阳极材料与电解质SDC具有较高的热匹配性, 以其作为SOFC的阳极, 氢气为燃料, 其单电池表现出优异的性能, 700 ℃电池输出功率密度最高可达90.6 mW•cm−2.     

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%。     

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.     

CeO_2/RP-PSCFM@CoFe阳极材料用于质子导体乙烷燃料电池共生乙烯和电能（英文）

固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料可以通过改性获得优异的催化活性,低的极化阻抗和稳定的抗积炭能力。在此,以立方相钙钛矿Pr_(0.4)Sr_(0.6)Co_(0.2)Fe_(0.7)Mo_(0.1)O_(3-δ)作为阳极前驱体,然后将CeO_2成功地浸渍到阳极的多孔结构中。通过原位还原技术获得了纳米合金粒子负载钙钛矿基底的复合阳极用于质子导体乙烷固体氧化物燃料电池。在氢气和乙烷气氛中,750℃时,燃料电池峰值功率密度分别达到253和183 m W·cm~(-2)。而且,在十小时的测试中燃料电池性能没有衰减反而电流密度随着时间的延长而增加,表明CeO_2浸渍表现出优异的催化活性和抗积炭稳定性。同时,通过产物分析,乙烯的产率从650℃下的23.52%增加到750℃下的34.09%,并且乙烯选择性超过94%。因此改性的阳极通过析出的纳米颗粒与CeO_2的协同作用,促进了燃料电池电极的催化活性和稳定性,将其运用到质子导体固体氧化物乙烷燃料电池中成功实现了乙烯与电能的共生。     

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。     

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。     

《固体氧化物燃料电池新型材料》

本书主要结合国内外固体氧化物燃料电池材料的研究进展,探讨钙钛矿型复合氧化物电解质材料、阴极材料和阳极材料及其组成单电池的制备工艺和性能,以期对固体氧化物燃料电池技术的研究有所推动。可供从事固体氧化物燃料电池和新材料研究与开发的科研人员、企事业单位的技术人员和管理人员阅读,也可供能源、化学、材料等相关专业教师     

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.     

以活性炭为燃料的固体氧化物燃料电池(英文)

采用注浆成型法制备了管状电解质支撑的固体氧化物燃料电池(SOFC),电解质材料为YSZ,阳极和阴极材料都采用银.将活性炭不加任何气体直接用作电池的燃料.电池的有效面积为2.5cm2,在800℃时给出最大功率为16mW,其开路电压随温度的变化与理论结果一致.此电池在30mA的恒电流下连续稳定运行了37h,通过电化学反应消耗了加入电池中碳燃料的42%(w),证明了电池的工作是可以自维持的.与使用石墨燃料的SOFC相比,此电池的运行稳定性得到了明显的提高,因为活性炭比石墨具有大得多的微孔率和表面积.电池运行37h后很快衰减,燃料烧结和燃料量减少造成碳表面积减小可能是衰减的主要原因.电化学阻抗谱测试结果表明电池的极化电阻在电池的总损耗中占主导.通过对电池反应机理进行分析,认为发生在阳极/电解质界面的CO电化学氧化反应和发生在碳燃料表面的Boudouard反应构成的循环维持了电池的运行,因此通过添加促进上述两个反应的催化剂,可提高电池的性能.     

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.     

钙钛矿材料在固体氧化物燃料电池燃料重整中的应用

固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell,SOFC）是通过电化学反应将化石燃料（煤、石油和天然气等）、生物质燃料或其它碳氢燃料中的化学能直接转换为电能的发电装置,能量转换效率更高、污染更低,被公认为21世纪高效绿色能源技术. 但直接以碳氢化合物为燃料时,镍基阳极中容易产生积碳,从而失去电化学催化活性. 在阳极外侧进行一次燃料的预重整是一种行之有效的解决办法,其中高效稳定的重整催化剂至关重要. 本文将结合本课题组的研究进展对钙钛矿催化剂在燃料重整中的应用进行概述,并提出自己相应的观点和展望.     

乙烷质子传导膜燃料电池的极化与反应机理

制备了以乙烷作为燃料电池膜电极组装(MEA)及构建了单电池系统。研究了Nafion材料作为质子传导膜、Pt/C作为电极催化剂构成的燃料电池在105 ℃和0.4 MPa电化学性能。采用交流阻抗分析法、色谱分析法及根据Faraday定律,考察了电池的电极极化过程,确定了电池的反应产物并探讨了电极的电化学反应机理。研究结果表明,乙烷燃料电池内阻引起的欧姆极化很小,电池阴极的极化主要是欧姆极化过程所控制,阳极极化主要为活化和浓差过程控制,阳极极化比阴极极化显著,乙烷燃料电池的极化主要在阳极侧;在实验操作条件下,阴极反应产物为水,阳极反应的主产物为CO₂且含有少量的CO,电池反应产物不含乙烯。     

原子层沉积技术制备高性能低铂载量燃料电池膜电极

应用原子层沉积技术在碳材料复合电极基体上制备了低铂载量的高性能膜电极.将碳载体(XC-72R)与聚四氟乙烯乳液均匀混合后涂布在碳纸上,在马弗炉中350℃烧结,构成复合电极的基底.然后采用原子层沉积技术将铂活性组分沉积在电极基底上制得膜电极的阳极,将该阳极与经过预处理的质子交换膜及阴极压合即得膜电极.由扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和循环伏安(CV)等分别表征该电极,单电池测试膜电极的性能.结果表明,活性组分在阳极中高度分散,膜电极具有良好的稳定性.膜电极的最大功率密度可达3.34 kW.(gPt)-1,是商业催化剂常规方式下制备的膜电极的1.76倍.以本文方法制得的膜电极具有铂载量低、单位质量铂的能量密度高等特点,有望在燃料电池领域应用.     

Ni-Fe/Ti和Ni-Fe-S/Ti的制备及其电催化水分解性能

以钛网为基底,采用电沉积法制备了Ni-Fe/Ti析氧电极,然后将得到的Ni-Fe/Ti电极通过固相硫化制备了Ni-Fe-S/Ti析氢电极. 分别考察了电沉积液中Ni ²⁺/Fe ³⁺离子摩尔浓度比和硫脲加入量对Ni-Fe/Ti和Ni-Fe-S/Ti结构和电化学性能的影响. 结果表明,随着电沉积液中Ni ²⁺含量的增加,Ni-Fe/Ti电极析氧性能先增强后减弱,Ni9Fe1/Ti电极具有最好的析氧性能;随着硫脲加入量的增加,Ni-Fe-S/Ti电极析氢性能呈现先增强后减弱的趋势,Ni9Fe1S0.25/Ti电极具有最好的析氢性能. 在50 mA·cm ^-2下,Ni9Fe1/Ti电极的析氧过电位为280 mV,Ni9Fe1S0.25/Ti电极的析氢过电位为269 mV,且均具有很好的稳定性. 将Ni9Fe1/Ti与Ni9Fe1S0.25/Ti分别作为阳极和阴极进行电催化全水分解,电流密度达到50 mA·cm ^-2所需电势仅1.69 V,表现出很好的全水解催化性能.     

NaOH溶液中Ni基石墨修饰电极上甲醇电氧化过程中钴与铜的协同效应

在NaOH溶液(0.1 mol/L)中考察了Ni, Co和Cu二元和三元合金修饰的石墨电极上甲醇电氧化反应性能.采用循环伏安法、计时电流法和电化学阻抗谱(EIS)等技术研究了修饰电极的催化活性和协同效应.这些催化剂在含有Ni, Cu和Co离子溶液的阴极电位上反复浸渍石墨电极制得.结果表明,在甲醇存在下, Ni基三元合金修饰电极(G/NiCuCo)对甲醇氧化反应的响应值明显高于其它样品.阳极峰值电流与扫描速率的平方根呈线性关系,表明该过程受扩散控制.在CA区域,该反应遵循Cottrellin特性,甲醇扩散系数为6.25×10–6 cm2/s.甲醇氧化反应速率常数为40×107 cm3/(mol·s).另外,采用EIS研究了修饰电极表面上甲醇催化氧化反应.     

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。     

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。     

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—HCSOFC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。