随着操作温度降低, 中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)需要更高催化活性的阴极材料来提升电池性能。为此, 本研究采用溶胶-凝胶法合成了双钙钛矿Sr₂CoFeO_5+δ (SCF)阴极材料, 并探讨了SCF阴极与摩尔分数20% Sm₂O₃掺杂的CeO₂(SDC)进行不同比例的复合对电极性能的影响, 优化了电极的化学膨胀和面积比电阻(ASR)，进而提升了SOFC单电池的电化学性能。结果表明, SCF作为SOFC阴极, 经950 ℃退火10 h后与普通电解质具有良好的化学相容性; 其中, SCF与SDC按照质量比1 : 1复合的样品可以将纯SCF样品的平均热膨胀系数(TEC)从2.44×10⁻⁵ K⁻¹显著降到15.4×10⁻⁵ K⁻¹。此外, SCF-xSDC(x=20, 30, 40, 50, x为SDC的质量分数)复合阴极的ASR在800 ℃下分别低至0.036、0.034、0.028和0.092 Ω·cm², SCF-40SDC在所有温度范围内都表现出更小的ASR。复合SDC可以优化SCF的三相界面且进一步提高SCF阴极的催化活性, 以0.3mm厚La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ(LSGM)为电解质的SCF-40SDC单电池(757 mW·cm⁻²)比SCF单电池(684 mW·cm⁻²)的最大功率密度更优, 且超过目前大部分的文献报道。本研究制备的SCF−40SDC是一种性能优异的复合阴极材料, 有望应用于中温固体氧化物燃料电池。

鉴于平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆对低面电阻、高稳定性阴极接触材料的需求, 本研究阐明了LaNi_0.6Fe_0.4O₃(LNF)颗粒尺寸调控对导电和SOFC单电池性能演变的影响机制, 优化了LNF预处理工艺, 降低了接触组件面电阻，提升了SOFC单电池性能及热循环稳定性。结果表明：预压造粒的样品(LNF-2)与高温烧结预处理的样品(LNF-3)的面电阻更小, 分别为0.074和0.076 Ω·cm²; 在750 ℃施加1 A/cm²电流负载后, 能够更快地进入稳态, 并保持颗粒尺寸稳定。其中, LNF-2单电池在750 ℃下的峰值功率密度0.94 W/cm²较未处理的LNF的 0.66 W/cm²高, 但在热循环过程中性能衰减较大,下降了20%; 而LNF-3单电池在20次热循环后峰值功率密度仅下降了4%。本研究对高可靠SOFC电堆装配及其长寿命稳定运行具有指导及参考价值。

氨具有低成本、易液化和高体积能量密度等特点, 是一种有吸引力的无碳燃料, 用其制成的直接氨燃料电池也备受科研人员青睐, 却受限于阳极氨氧化缓慢的动力学过程。本工作采用无表面活性剂的简单方法通过纳米颗粒(NPs)自组装制备了三维多孔网络结构的PtIr合金气凝胶高效氨氧化催化剂。该结构提供了丰富开放的互联质子传输通道和额外的催化活性位点, 有助于氨电催化氧化中NH₃分子的去质子化过程。当Pt和Ir物质的量比为80/20时, PtIr合金气凝胶展现出最优的氨氧化(AOR)催化活性。实验通过研究NH₃浓度和工作温度对催化剂氨氧化性能的影响发现, Pt₈₀Ir₂₀合金气凝胶催化剂的AOR性能随着氨水浓度或温度的上升而增强, 如当氨水浓度为0.5 mol/L时, 合金催化剂在0.5 V电位下的质量比活性为44.03 A·g^-1, 约是0.05 mol/L 氨水中的4倍。当温度上升至80 ℃ 时, 合金催化剂在0.5 V电位下的质量比活性为148.73 A·g^-1, 约为25 ℃下的12倍。在此温度变化区间, 其AOR起始电位下降了40 mV。利用Arrhenius方程计算发现, Pt₈₀Ir₂₀合金气凝胶催化剂的AOR反应活化能比商业Pt/C催化剂降低了~9.43 kJ·mol^-1。此外, 催化材料的稳定性测试结果表明, Pt₈₀Ir₂₀合金气凝胶催化剂经2000次循环伏安测试后的峰值质量比活性损失为~50.6%, 优于商业Pt/C催化剂(~74.9%)。

受固体氧化物燃料电池(SOFCs)原位还原脱溶纳米金属阳极技术的启发, 本工作采用煅烧后的Sr₂V_0.1Co_0.9MoO₆前驱体(包含其他相的钙钛矿)在空气气氛下与电解质共烧制备出单电池, 避免了为防止阳极氧化而需在还原/惰性气氛下制备电池的苛刻条件。制备电解质片上的阳极前驱体仅需在燃料侧原位还原4 h, 便可形成纯相Sr₂V_0.1Co_0.9MoO₆ (R-SVCMO)阳极。结果表明, R-SVCMO在活化能显著降低的同时电导率由2.7 S•cm^-1提高至21.6 S•cm^-1。当R-SVCMO为阳极的单电池分别以H₂和湿CH₄为燃料气时, 在850 ℃的最大功率密度(P_max)分别达到862和514 mW•cm^-2, 显示出优秀的催化性能。还原前后阳极在100~850 ℃的平均热膨胀系数(TEC)分别为1.15×10^-5和1.23×10^-5 K^-1, 均与传统SOFC电解质相近。因此, 还原过程不会导致阳极层体积产生变化, 可以显著提高电池结构稳定性(退化率仅为0.13%)。加之R-SVCMO是在燃料气氛下合成的, 其作为阳极表现出极高的长期稳定性和催化活性。R-SVCMO对湿CH₄的催化效率达到60%, 并能够稳定运行1450 h, 相应的单电池可在0.7 V稳定运行450 h。综上所述, 本研究采用燃料原位还原法制备了具有优异电化学性能和结构稳定性的单电池。

针对阳极支撑型直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)的浓差极化阻抗大的问题, 本研究采用改进后的凝胶注模法制备了阳极支撑型锥管状固体氧化物燃料电池(SOFC)。通过适当增加溶剂的含量, 改善了浆料的流动性, 提高了成品的质量; 通过增大造孔剂的含量, 提高了阳极的孔隙率, 减小了气体的扩散阻力。改进后的SOFC以氢气为燃料, 在800 ℃运行时, 开路电压为1.05 V, 电化学阻抗谱的极化阻抗更小, 电池的最大功率密度为0.67 W•cm^-2(阴极有效面积为2.2 cm²), 明显优于改进前的SOFC。改进后的SOFC直接采用担载质量分数5% K的活性炭为燃料, 在800 ℃运行时, 开路电压为1.030 V, 接近理论电压, 最大功率密度达0.74 W•cm^-2, 以400 mA进行恒流放电, 碳燃料的有效利用率为31%, 高于改进前电池的碳燃料的有效利用率17%。将改进后的4个锥管状单电池串联成电池组, 直接采用担载质量分数5% K催化剂的活性炭为燃料, 在800 ℃运行时, 最大功率达8.0 W, 高于改进前的4节DC-SOFC电池组(4.1 W), 该电池组碳燃料的有效利用率为15%, 峰值功率密度可达0.91 W•cm^-2, 超过了文献报道的最高值。

固体氧化物燃料电池(SOFC)各部件间的材料属性差异导致电池在制造和运行过程中应力过高, 使用功能梯度材料电极可以减小SOFC的残余应力和热应力。本研究基于COMSOL Multiphysics 6.0软件建立完整结构的SOFC多物理场耦合模型, 采用四种不同的分布曲线表征阳极材料的组分分布, 对功能梯度阳极SOFC的残余应力和运行热应力进行数值计算。结果表明, 电池在制备过程中, 使用功能梯度材料能显著减小阳极所受的拉应力, 该现象在常温下更加明显。二次曲线分布相比于无梯度分布, 还原前阳极的室温最大拉应力减小47.69%, 还原后室温最大拉应力减小35.74%。电池在运行过程中, 电化学反应产热和气体对流换热导致入口和出口形成温差, 金属框在出入口以及肋与电极接触的位置存在较大的应力集中现象。功能梯度材料可以显著减小阳极、金属框及电解质所受的最大应力, 其中材料组分为二次曲线分布时效果最明显。本研究对设计制造SOFC具有潜在的理论意义和工程价值。

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的关键部件之一, 成本占燃料电池膜电极的40%~50%。开发低成本、高性能的GDL生产工艺, 可以降低燃料电池成本, 推动燃料电池商业化进程。本研究以纤维素棉布为原料, 通过铁基化合物的催化石墨化作用, 在较低温度(1500 ℃)下生成了一种高导电、高孔隙率的柔性生物质碳布。碳布由相互连接的微米级碳纤维组成, 形成了丰富的孔道, 其孔隙率为76.93%。经过铁基化合物催化, 碳纤维的表面原位生成了大量碳纳米管团簇, 增加了碳布的导电性, 使其平面电阻率降低至34 mΩ·cm, 垂直电阻率在 2 MPa压力下降低至2.8 mΩ·cm, 性能达到商业碳布的标准。生物质碳布作为气体扩散层的燃料电池在0.7 A·cm^-2电流密度处功率密度达到0.4 W·cm^-2, 超过了相同催化剂(Pt)负载量的商业碳布(0.34 W·cm^-2)的电池功率密度。本研究制备的生物质碳布制备简单、价格低廉、性能优秀, 为开发低成本、高性能气体扩散层提供了新的思路。

氧还原反应(ORR)是燃料电池阴极重要的电化学反应过程, 其自发反应进程缓慢, 对氧还原反应起高效催化作用的催化剂面临价格昂贵、合成流程复杂、污染环境等问题, 因此探索合成简单、环境友好的氧还原催化剂制备方法具有重要意义。铁氮共掺杂介孔碳材料(Fe-N/MC)是一种有巨大应用价值的非贵金属氧还原反应催化剂。本工作通过在马弗炉中的半封闭体系内高温碳化小分子前驱体得到介孔碳材料(MC_M), 再把获得的MC_M与铁盐混合在管式炉中高温处理制备得到铁氮共掺杂介孔碳材料(Fe-N/MC_MT)。该方法热解条件简单, 无需模板剂和NH₃、HF等有毒物质。由于MC_M含有较高的氮和氧元素, 有利于提升介孔碳材料表面的亲水性和配位能力, 通过MC_M和铁盐制备出的Fe-N/MC_MT含有丰富的、催化ORR的Fe-N_x活性位点, 其起始电位和半波电位分别为0.941和0.831 V (vs RHE), 比商业化Pt/C催化剂的起始电位和半波电位分别正34和16 mV。氧还原反应按照反应过程分为二电子过程和四电子过程, Fe-N/MC_MT和Pt/C的转移电子数分别为3.77和3.91, 表明具有四电子反应过程。

直接乙醇燃料电池(DEFC)具有燃料易得、绿色高效的优点, 得到了广泛的研究, 但是DEFC催化剂存在催化效率低、稳定性差的问题, 制约了其快速发展。本研究采用液相水热合成法, 以聚乙烯吡咯烷酮(PVP k-25)为分散剂和还原剂、甘氨酸为表面控制剂和共还原剂, 通过调控Pt-Co金属前驱体的摩尔比, 一步制备了XC-72R炭黑负载的Pt₁Co_x/C高指数晶面纳米催化剂, 实现了催化剂晶粒在碳载体上的原位生长。Pt₁Co_1/3/C纳米催化剂暴露的高指数晶面主要包括(410)、(510)和(610)晶面。在晶体生长过程中, Pt₁Co_1/3/C纳米催化剂晶粒由“类球体”转变立方块, 最终得到具有高指数晶面取向的内凹形貌。Pt₁Co_1/3/C高指数晶面纳米催化剂的电催化活性最高, 其电化学活性表面积为18.46 m²/g, 对乙醇氧化峰电流密度为48.70 mA/cm², 稳态电流密度为8.29 mA/cm², CO氧化峰的电位为0.610 V。这说明具有高指数晶面的催化剂表面存在的台阶、扭结等缺陷原子, 可增加活性位点, 进而显示出优异的电催化性能。本研究可为高指数晶面催化剂材料的开发及工业化应用提供理论依据。

中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)有助于国家的碳中和战略, 但其阴极材料难以兼顾热兼容性和催化活性。为此, 基于多元素耦合的高熵策略, 本研究合成了高熵阴极材料GdBa(Fe_0.2Mn_0.2Co_0.2Ni_0.2Cu_0.2)₂O_5+δ(HE-GBO), 具有双过氧化物结构, 与Gd_0.1Ce_0.9O_2-δ(GDC)有良好的化学兼容性, 协调了与催化活性之间的平衡性。采用HE-GBO阴极的对称电池在800 ℃下的极化电阻(R_p)为1.68 Ω·cm², 而HE-GBO-GDC(质量比7 : 3)复合阴极的R_p因引入GDC而显著降低(800 ℃下R_p为0.23 Ω·cm²)。采用HE-GBO和HE-GBO-GDC阴极组装树枝状微通道阳极支撑单电池,在800 ℃的最大功率密度分别达到972.12和1057.06 mW/cm², 使用高熵阴极可以进一步提高电池性能。这些结果表明多尺度优化有助于开发高性能的IT-SOFC阴极材料。