基本信息
- 項目名稱：
- 模壓法優(yōu)化組裝中溫固體氧化物燃料單電池
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 模壓法優(yōu)化組裝ITSOFC單電池，通過調(diào)整電解質(zhì)、陽極和陰極材料各部分的用量以提高ITSOFC的性能，確定ITSOFC各部分的最佳用量及制備過程中的各種技術(shù)參數(shù)。具有，制備工藝簡單、成本低，反應(yīng)過程容易控制，制備過程中沒有腐蝕性的問題，制備的電池也不易出現(xiàn)裂紋，容易形成規(guī)?；笊a(chǎn)等優(yōu)點。
- 詳細介紹：
- 研究證明鈣鈦礦型Co基材料為混合導(dǎo)體材料，不但具有高的電子、離子電導(dǎo)率，還具有較高的中溫催化活性，在ITSOFC的研究中受到廣泛關(guān)注。但La1-xSrxCoO3在SOFC陰極氧化環(huán)境中穩(wěn)定性不如傳統(tǒng)的陰極材料La1-xSrxMnO3，同時La1-xSrxCoO3熱膨脹系數(shù)也比La1-xSrxMnO3大。 為了解決La1-xSrxMnO3材料存在的問題，人們開始研究用Fe等過渡金屬摻雜取代Co的位置，即開發(fā)Ln1-xSrxFel-yCoyO3-δ(Ln=La，Pr，Nd，Sm和Gd)系摻雜陰極材料。但Ln1-xSrxFel-yCoyO3-δ系摻雜陰極材料仍不能滿足與中溫電解質(zhì)相匹配的熱膨脹系數(shù)的要求。 所以，本項目通過在Ln1-xSrxFel-yCoyO3-z系摻雜陰極材料中引入A位摻雜Ca以降低陰極材料的熱膨脹系數(shù)，開發(fā)了La0.7Sr0.3-xCaxCo1-yFeyO3-δ系摻雜陰極材料。 通過在摻雜氧化鈰電解質(zhì)中引入無機鹽，形成摻雜氧化鈰-無機鹽復(fù)合電解質(zhì)（CSC），不僅抑制了電解質(zhì)的電子電導(dǎo)，還能形成氧離子-質(zhì)子共同傳導(dǎo)，提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率及電池在中低溫度下的性能。 由于模壓法制備工藝簡單，制備過程容易控制，可以實現(xiàn)工業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用，同時，采用新型中溫陰極材料及在摻雜氧化鈰電解質(zhì)中引入無機鹽，更加提高了SOFC在中低溫條件下的性能，更加利于SOFC大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 作品設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路： 制備出中溫固體氧化物燃料電池（ITSOFC）陽極和陰極材料后，模壓法優(yōu)化組裝ITSOFC單電池，通過調(diào)整電解質(zhì)、陽極和陰極材料各部分的用量以提高ITSOFC的性能，確定ITSOFC各部分的最佳用量及制備過程中的各種技術(shù)參數(shù)。 創(chuàng)新點： 對電解質(zhì)、陽極和陰極材料采用工藝簡單的模壓法來優(yōu)化組裝ITSOFC單電池，對電池性能進行深入研究，并確定組成ITSOFC電解質(zhì)、陽極和陰極各部分的最佳用量，為工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 技術(shù)關(guān)鍵： 采用檸檬酸鹽法制備ITSOFC電極材料，主要控制檸檬酸的用量（摩爾數(shù)為金屬離子含量的1.5倍），溶液pH≤4，在70～80℃溫度條件下蒸干水分，形成溶膠，凝膠在恒溫箱中于100～120℃干燥制得前驅(qū)體。準確控制各組分的用量以及確定合理熱處理工藝制度。 主要技術(shù)指標： 陰極材料的粒徑控制在小于300納米范圍內(nèi)，在500-700℃范圍內(nèi)，使陰極材料的電導(dǎo)率達到300S/cm以上； Sm0.2Ce0.8O1.9粒徑控制在小于300納米范圍內(nèi)； ITSOFC單電池在500-800℃時最大輸出功率達到800mW/cm2以上。
科學(xué)性、先進性
- 制備燃料電池的傳統(tǒng)方法或多或少的都有難以形成規(guī)?；笊a(chǎn)，化學(xué)氣相沉積，反應(yīng)溫度較高，沉積速率低，有腐蝕性氣體放出，反應(yīng)的鹽具有腐蝕性，通常必須進行熱處理，電極厚度均勻性不太好，電極易出現(xiàn)裂紋等缺陷。本項目通過在Ln1-xSrxFel-yCoyO3-z系摻雜陰極材料中引入A位摻雜Ca以降低陰極材料的熱膨脹系數(shù)，開發(fā)了La0.7Sr0.3-xCaxCo1-yFeyO3-δ系摻雜陰極材料。 通過在摻雜氧化鈰電解質(zhì)中引入無機鹽，形成摻雜氧化鈰-無機鹽復(fù)合電解質(zhì)（CSC），不僅抑制了電解質(zhì)的電子電導(dǎo)，還能形成氧離子-質(zhì)子共同傳導(dǎo)，提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率及電池在中低溫度下的性能。具有制備工藝簡單、成本低，反應(yīng)過程容易控制，制備過程中沒有腐蝕性的問題，制備的電池也不易出現(xiàn)裂紋，容易形成規(guī)模化大生產(chǎn)等優(yōu)點。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 作品在實驗室已經(jīng)完成，各種關(guān)鍵技術(shù)也都已經(jīng)完成，并且通過了相關(guān)性能測試，達到技術(shù)參數(shù)和性能要求。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 以生產(chǎn)外包的形式進行技術(shù)轉(zhuǎn)讓。
作品可展示的形式
- 產(chǎn)品實物。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 固體氧化物燃料電池是21世紀最有潛力的綠色發(fā)電系統(tǒng)之一，是一種不經(jīng)過燃燒直接將反應(yīng)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置，不存在卡諾循環(huán)，因此不受熱機效率、發(fā)電廠規(guī)模的限制。其反應(yīng)產(chǎn)物主要為水和CO2，向大氣中排放的有害物質(zhì)很少。由于組件全部由固體材料構(gòu)成，不存在電解質(zhì)損耗維修和電極腐蝕等問題，更為穩(wěn)定和可靠，能量轉(zhuǎn)換效率高。 固體氧化物燃料電池可以用來發(fā)電，一次電轉(zhuǎn)化效率為50%~60%。固體氧化物燃料電池本身是一個放熱的反應(yīng)裝置，可以與汽輪機聯(lián)動，這樣電轉(zhuǎn)化效率可達70%~80%。固體氧化物燃料電池還可以作為交通工具的動力源。作為一種環(huán)保的能源利用方式，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)在21世紀有廣闊的應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- Srivastava等用直流磁控濺射法得到膜化的單電池,電池實驗的結(jié)果是:800℃時的開路電壓為1.09V,比功率為600mW/cm2。但此類方法成本較高，不易實現(xiàn)工業(yè)化大生產(chǎn)。 Perednis等用噴霧熱解法制得得單電池。實驗測得單電池在770℃時的開路電壓為0.97V,比功率達550mW/cm2。 Chour等利用金屬有機化合物的分解反應(yīng)制備了YSZ固體電解質(zhì)薄膜,得到Y(jié)SZ薄膜的厚度為5μm。經(jīng)1300℃燒結(jié)后,制得的電池在650℃時的開路電壓達0.93V。但此方法反應(yīng)較慢，不利于工業(yè)化大生產(chǎn)。 孟廣耀等以NiO和DCO粉末為材料,用流延法制備出多層陽極,在550℃下其最大輸出功率達到0.68W/cm2。此方法生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)周期短,成本較低,但易出現(xiàn)裂紋。 Liu J等用離心澆鑄法在NiO-YSZ陽極基底上沉積YSZ膜,在1400℃下共燒結(jié)后,得到厚薄均勻的YSZ薄膜,在其上再沉積一層LSCF-GDC陰極制成單電池。開路電壓接近理論值，800℃時的比功率約為1W/cm2。此方法可形成規(guī)?；a(chǎn),生產(chǎn)效率高、成本低,但易出現(xiàn)裂紋。 對于電池的制備技術(shù)，現(xiàn)在一般采用模壓法以及絲網(wǎng)印刷的方法，模壓法具有簡單高效的特點。 Zhu等人用Pr0.7Sr0.3Co1-yCuyO3-σ中溫陰極材料為陰極、NiO/Ce0.8Sm0.2O1.9為陽極，SDC為電解質(zhì)，采用模壓法制備了單電池,單電池比功率在750℃為481mW/cm2。 E. Maguire等人用La0.84Sr0.16Co0.7Fe0.3O3-δ作為與GCO電解質(zhì)匹配的陰極材料，采用模壓法制備單電池，800℃，過電位0.1V時，電流密度約為0.5A/cm2。 Zhou等人用堿土元素完全取La系元素，制備新型陰極材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)顯示了優(yōu)異的陰極特性。它與陽極材料Ni-SDC、電解質(zhì)材料SDC采用模壓法和絲網(wǎng)印刷組成SOFC，降低了電池的工作溫度，在600℃和500℃時的最大輸出功率分別為1010mW/cm2和402mW/cm2。 如何使電池組裝后具有較好的性能是當(dāng)前研究的熱點。
