1 宁波大学，浙江 宁波 315211
2 中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 201800
通过流延法制备了一种新型的Al2O3/BaO-CaO-B2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃(BCBAS)系复合密封材料，其具有突出的机械性能和较高的导热性能。结果表明，片状Al2O3可有规律定向分布在BCBAS玻璃基体中。随着片状Al2O3质量分数从0增加到25%，BCBAS玻璃的主要结晶相从Ca0.1Ba0.9SiO3转变为Ba1.55Ca0.45SiO4和BaAl2Si2O8，并进一步转变为BaAl2Si2O8和BaAl2O4相。同时复合密封材料的导热系数从0.892 W/(m·K)增加到1.255 W/(m·K)，弯曲强度和Vickers硬度分别从96 MPa增加到140 MPa，444 HV增加到677 HV。当片状Al2O3的质量分数不大于20%时，密封材料与连接件之间的抗拉强度保持在4 MPa以上。20% Al2O3~80% BCBAS微晶玻璃的复合密封材料表现出优异的综合性能：导热系数为1.203 W/(m·K)、弯曲强度为136 MPa、Vickers硬度为677 HV、密封件的抗拉强度为4.22 MPa，在抗热震性能上体现出较大的优势，使其成为中温固体氧化物燃料电池密封应用的潜在候选材料。
固体氧化物燃料电池 复合密封材料 微晶玻璃 片状三氧化二铝 solid oxide fuel cell composite sealing materials glass-ceramic lamellar aluminium oxide
1 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070
2 河北省沙河玻璃技术研究院，沙河 054100
3 上海交通大学机械与动力学院燃料电池所，上海 200240
本文设计和制备了以透辉石为主晶相的R2O-RO-Al2O3-B2O3-SiO2系封接微晶玻璃，用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的封接，研究了Na2O含量(0%～10%，摩尔分数)对封接玻璃热膨胀系数(CTE)、析晶与烧结润湿特性的影响，表征了封接件在高温长时间热处理后玻璃与SUS403不锈钢的封接界面。结果表明，Na2O可以显著改善玻璃的热性能，所制备的玻璃样品在封接温度范围内经热处理后可获得主晶相为透辉石(CaMgSi2O6) 的微晶玻璃。随着Na2O含量增加，主晶相透辉石的晶相含量不同，微晶玻璃的热膨胀系数由未晶化前的8.22×10-6 K-1提升至11.79×10-6 K-1，能够满足SOFC封装的热膨胀匹配。当Na2O含量大于等于8%(摩尔分数)时，玻璃中析出高膨胀钙镁黄长石(Ca2MgSi2O7)晶相，不利于封接。将4%(摩尔分数)玻璃试样与SUS403高温封接后于850 ℃保温100 h，封接界面致密牢固无气孔，界面处存在Cr2O3层以及比封接玻璃本体更致密的透辉石薄层，这些致密层的存在有利于限制封接玻璃中Na+向界面扩散。
氧化钠 透辉石 高温封接微晶玻璃 固体氧化物燃料电池 热膨胀系数 封接界面 sodium oxide diopside high temperature sealing glass-ceramics solid oxide fuel cell coefficient of thermal expansion sealing interface
中国矿业大学材料与物理学院，江苏 徐州 221116
双层钙钛矿结构氧化物具有优异的离子电子电导率，作为固体氧化物燃料电池（SOFC）阴极材料被广泛研究。以PrBaCo2O5+δ作为母体材料，采用Ca离子在Pr位和Ba位进行掺杂，采用溶胶凝胶法制备出了Pr0.9Ca0.1Ba1-xCaxCo2O5+δ(0≤x≤0.3，PCBC)阴极材料。电导率测试结果表明：Ca离子共掺杂能够有效改善材料的电导率。电化学性能测试结果表明：x=0.2的阴极具有最佳的氧催化活性，700 ℃时极化阻抗仅为0.069 ?偸cm2。在理论研究中，通过GGA-PBE泛函分别计算了PrBaCo2O5+δ、Pr0.75Ca0.25BaCo2O5+δ与Pr0.75Ca0.25Ba0.75Ca0.25Co2O5+δ的氧空位形成能、态密度及O s和O p的能带中心。研究发现，Pr位掺Ca能减小氧空位形成能，Ba位掺杂Ca反而会增大氧空位形成能。O p带中心的计算结果表明：Ba位掺Ca的策略有效增加了材料的氧还原活性。双钙钛矿A位钙离子的共掺杂策略能够有效改善样品的热膨胀、高温电导率和电化学性能，提高材料的长期稳定性。
固体氧化物燃料电池 双钙钛矿 阴极 密度泛函理论 电化学性能 solid oxide fuel cell double perovskite cathode density function theory calculation electrochemical performance
哈尔滨工业大学(深圳)理学院，广东 深圳 518055
质子导体固体氧化物燃料电池中的电解质是影响其性能和稳定性的关键。通过固相反应法制备了B位阳离子掺杂的BaCe0.9M0.1O3-δ(BCM，M=Sc、Y、Zr、Nb)质子导体陶瓷，通过材料表征和纳米压痕测试探究了B位掺杂对烧结特性和力学特性的影响规律。结果表明，三价离子掺杂会促进BCM烧结过程中颗粒的生长而高价离子掺杂则会抑制颗粒生长。在力学特性上，掺杂后的BCM的弹性模量随着同稳定价态掺杂元素(Sc和Y)的离子半径的增大而减小，随着不同稳定价态掺杂元素(Y、Zr和Nb)的价态的增加而减小。
固体氧化物燃料电池 质子导体电解质 力学特性 烧结特性 铈酸钡 solid oxide fuel cell proton conducting electrolyte mechanical properties sintering characteristic barium ceriate
1 广东电网有限责任公司广州供电局 广州 510600
2 中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800
3 上海师范大学 上海 200234
4 中国科学院大学 北京 100049
作为氢燃料利用的核心器件，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）可以高效地将燃料气转化为电能。燃料电池中的阴极作为氧还原反应的发生场所，不仅对性能输出占有重要的影响，而且还是燃料电池的稳定性和寿命的关键决定因素。针对阴极材料的研究在推动燃料电池技术发展及产业化进程中具有重要意义。为了提升阴极的电化学性能，本文对双钙钛矿结构氧化物PrBa0.8Ca0.2Co2O5+δ（PBCC）中的钴元素进行掺杂调控，研究掺杂元素的种类、浓度对材料电化学性能的影响，通过电化学性能测试确定了最优的掺杂元素类型和含量。当使用掺杂5 mol%铁元素的PBCC材料作为阴极时，燃料电池在700 °C的最大功率达到了1 259 mW?cm-2，远优于未掺杂时的988 mW?cm-2。对掺杂元素含量和种类的优化有助于提升固体氧化物燃料电池的电化学性能。
固体氧化物燃料电池 阴极 双钙钛矿 B-位掺杂 Solid oxide fuel cell Cathode Double perovskite B-site doping
1 中国北方车辆研究所推进系统技术部, 北京 100072
2 西安交通大学能源与动力工程学院, 热流科学与工程教育部
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效率、燃料灵活、全固态的燃料电池, 是世界各国竞相研究开发的重点。其长期在高温下运行, 运行部件之间材料属性差异较大, 内部不可避免产生的热应力引起的部件损坏失效问题比较严重, 严重阻碍其商业化应用。SOFC的热力失效问题不同尺度下有不同的表现形式和机理, 本文从电堆、单电池和电极多个尺度综述了目前国内外学者相关的研究工作和进展, 并对此做出评述和展望, 提出了未来值得进行的研究内容, 为SOFC热力失效问题的研究提供指导。
固体氧化物燃料电池 热应力 数值模拟 失效 solid oxide fuel cell thermal stress numerical simulation failure
1 长春理工大学物理学院, 长春 130022
2 中国矿业大学材料与物理学院, 江苏 徐州 221116
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的能量转化装置。SOFC具有高效、产物清洁污染小和噪声低等优点, 因此成为近年来国内外研究的热点。混合电子-离子导体的钙钛矿型SOFC电极材料被广泛研究。采用固相法在空气中合成了具有正交钙钛矿结构的PrFe0.7Ni0.3O3-δ(PFN)。结果表明: PFN在800 ℃时, 在空气和H2条件下最大电导率分别为46.500 S/cm和0.007 S/cm, 在空气气氛条件下的界面极化阻抗为0.08 Ω?偸cm2, 在H2气氛条件下阻抗为0.24 Ω?偸cm2, 在乙醇气氛条件下的阻抗为1.52 Ω?偸cm2; PFN/La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)/PFN对称电池在800 ℃时, 氢气气氛条件下的最大功率密度为475 mW/cm2, 以乙醇为燃料时最大功率密度为180 mW/cm2。这表明, Ni掺杂PrFeO3的样品作为电极材料性能优异, 是一种有前景的SOFC电极材料。
固体氧化物燃料电池 钙钛矿 电极材料 电化学性能 solid oxide fuel cell perovskite electrode electrochemical performance
面向高性能固体氧化物燃料电池(SOFC)低成本制备及长寿命运行需求, 提出了一种致密氧化铈基隔离层的制备方法。将阳极支撑半电池的Y2O3稳定ZrO2(YSZ)电解质浸没于硝酸钆和硝酸铈水溶液中, 并在180 ℃水热条件下处理36 h, 获得了原位生长的致密Gd2O3掺杂CeO2(GDC)薄膜; 进一步将其与La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ阴极在1 075 ℃共烧结, 得到阳极支撑SOFC单电池。结果表明, 水热原位生长制备的GDC隔离层连续且致密, 组成约为Gd0.044Ce0.956O2-δ, 厚度约为0.23 μm; 阳极支撑单电池在750 ℃的欧姆阻抗约为0.101 Ω·cm2, 相较于传统丝网印刷GDC隔离层单电池降低了约38%, 在室温加湿氢气燃料下的最大功率密度达到了约1.038 W/cm2, 表现出较好的长期运行稳定性。报道的水热原位生长法能满足多构型、多尺寸SOFC致密隔离层薄膜的低成本规模化制备, 具有工业应用前景。
固体氧化物燃料电池 隔离层 氧化钆掺杂氧化铈 水热原位生长 陶瓷薄膜 solid oxide fuel cell barrier layer gadolinium-doped ceria in-situ hydrothermal growth ceramic thin film
内蒙古科技大学材料与冶金学院, 包头 014010
铬酸镧基陶瓷具有优异的性能, 在诸多领域内得到广泛的应用。致密的铬酸镧基陶瓷可作为高温固体氧化物燃料电池的连接体材料。本文综述了使用固相法、溶胶-凝胶法、燃烧及水热法等方法制备铬酸镧粉体的过程, 分析了铬酸镧基陶瓷难致密化的原因, 基于现阶段的制备方式总结了能实现致密化过程的多种新型烧结方式, 同时调研了不同位置的掺杂改性及复合等方式在电性能改善方面的研究进展, 最后对后续的研究发展方向进行了展望。
陶瓷 固态氧化物燃料电池连接体 铬酸镧 粉体合成 致密化 掺杂改性 电性能 ceramics solid oxide fuel cell connector lanthanum chromate powder synthesis densification doping modification electrical property
1 中国矿业大学材料与物理学院, 江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学, 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室, 江苏 徐州 221116
3 中国矿业大学化工学院, 江苏 徐州 221116
井下抽采煤层气的CH4浓度低、具有爆炸风险, 利用困难。为此提出了低浓度煤层气为燃料的固体氧化物燃料电池(SOFC)安全高效发电新方法, 开展了可消除低浓度煤层气爆炸风险的变压吸附脱氧提浓实验和大尺寸SOFC单片电池堆实验, 建立了SOFC多场耦合数值模型。结果表明: 变压吸附可使CH4体积分数提高1.36倍, 脱氧率达84.5%, 满足SOFC安全高效利用要求; 低浓度煤层气燃料单电池功率密度达110.2 mW/cm2, 但长期放电后阳极积碳, 导致性能衰减; 数值模拟表明降低放电电压、提高燃料O2 和CH4体积比、减少阳极进气流速可减少积碳, 但会降低发电性能。
低浓度煤层气 固体氧化物燃料电池 积碳 脱氧提浓 多场耦合 low-concentration coal mine methane solid oxide fuel cell carbon deposition deoxygenation and methane enrichment multi-physic coupling
