理论教育 质子导电性SOFC技术的研究进展

质子导电性SOFC技术的研究进展

时间:2023-06-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:至此,在质子导电SOFC中,所有重大的示范都是基于受体掺杂钙钛矿的,特别是那些锶和钡基的。美国国家航空和宇宙航行局也从事将陶瓷质子导体作为他们SOFC的部分,他们的方式是通过制造和描绘BaCeO3基[71]和其他质子导电陶瓷薄膜。然而,镍和BCGO明显的共存和相关文献中其他的一些结论,例如LSGM中的质子导电性是存有疑问的。

质子导电性SOFC技术的研究进展

除了传统的聚合物膜燃料电池(PEMFC),质子导电燃料电池(PCFC)也是使用钙钛矿、固体酸或高温聚合物作为质子导电电解质的。固体酸燃料电池(SAFC)是基于CsHSO4和CsH2PO4的,并展示出良好的特性,因为高质子导电性和引人注意的约200℃的[66]操作温度,在这里支持组件和质子交换膜燃料电池的电极技术被应用。挑战在于低熔化或分解温度,液态水的溶解度,燃料侧的气氛中还原作用和蒸发作用的稳定性和材料的整体柔软度。高温聚合物膜燃料电池基于200℃下硫化或膦化聚苯并咪唑(PBI)。随着膜已经被制造来适用于实验室和工业研究,我们将会看到在该领域的一个有意思的发展。

至此,在质子导电SOFC中,所有重大的示范都是基于受体掺杂钙钛矿的,特别是那些锶和钡基的。很多情况下,因为运行情况下与酸性气体的反应、循环和存储,这些努力都受困于电解质有限的机械化学稳定性。其他的问题在于对于这些新的燃料电池电极有限的知识和研究。例如,镍陶瓷阳极经常被用于质子导电电解质作为陶瓷的部分,但是通常使用的BaCeO3在生产和运行过程中与氧化镍和镍配对发生反应,这就破坏了阳极陶瓷的电子导电性,减少了电解质中离子传输的数量[67]。很少的测验归结为晶界阻力为主要的问题,能够从导电性的研究中预测出。

在1995年,Bonanos等人[68]回顾了文献和他们自己的结果以及性能表,该性能表反映了很多0.4~0.5mm厚,以10%~20%Gd或Nd掺杂的BaCeO3电解质,Pt为阳极,Pt或Ag为阴极,在800℃的温度下操作的氢—氧或氢气体燃料电池。在700mV电池电压,它们释放出70~285mA/cm2电流密度,对应50~200mW/cm2功率密度和10~40mS/cm的有效电解质电导率。这些电导率的首近似值与掺杂BaCeO3s的总体(晶粒内部)电导率值相对应,显示出电子和晶界抗阻很小。

几年后,Protonetics公司进行基于BaCeO3燃料电池的商业化,并且报告了它们运行氢或甲烷[69]电池的数据。获得上述低范围的能量密度。

Kreuer[70]报道了一个Ba(Ce,Zr)O3燃料电池的测验,并得到了中等的能量密度。显示出它在很大程度上低于预期的总体(晶格内部)导电性,并且与电气属性的预期相一致,包含晶格电阻

在上述提到的研究中,Coors和Kreuer提出了BaCeO3基材料混合质子氧化物离子导电性的问题:在氢燃烧的燃料电池中,质子导电性有利于提高效率,一些氧化物离子传输有利于在阳极侧提供水蒸气以改造和转变碳基燃料,例如甲烷。(www.daowen.com)

Ito等人[9]制造了一个0.7mm厚的实验室燃料电池,BaCeO3基电解质被放置于Pd阳极基体,并且包含一个贵金属阴极。该电池显示了高功率密度,在600℃的温度下超过1W/cm2,在400℃的温度下约为0.7W/cm2,但实质的寿命却未报告。美国国家航空和宇宙航行局也从事将陶瓷质子导体作为他们SOFC的部分,他们的方式是通过制造和描绘BaCeO3[71]和其他质子导电陶瓷薄膜。

Meng等人[72]报告了功率密度为300mW/cm2的电池,该电池使用50μm的Gd掺杂BaCeO3(BGCO)薄膜作为电解质,La0.5Sr0.5CoO3-BGCO金属陶瓷作为阴极,Ni-BGCO金属陶瓷作为阳极,氢和工业氨作为燃料。该工作是非常有趣并且是富于前景的,并且展示了其他方式中不稳定的BaCeO3可能被用作像氨一样的基础燃料。然而,镍和BCGO明显的共存和相关文献中其他的一些结论,例如LSGM中的质子导电性是存有疑问的。

Meulenberg等人报告了Y掺杂BaCeO3[73]薄膜的准备和多孔陶瓷载体的其他质子导电膜,通过首先制作一个掺杂ZrO2或CeO2的致密膜,然后使用一个包含Ba的混合物(如BaCO3)的薄膜,并且让这两层进行固态反应。

BaZrO3基(例如BZY)电解质的燃料电池报告得很少。因为锆酸更好的稳定性与蜡剂更好的晶界导电性[74]相结合,受体掺杂混合钡锆蜡剂Ba(Zr,Ce)O3被研究。但是燃料电池测验没有给出令人信服的结果[70,75]

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