综合智慧能源

金属支撑固体氧化物燃料电池技术进展

高圆, 李智, 李甲鸿, 高九涛, 李成新, 李长久

2022, 44(8): 1-24. doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.08.001

摘要 ( 165 )

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可快速启动的金属支撑固体氧化物燃料电池（MS-SOFC）是助力实现“双碳”目标的变革性技术。MS-SOFC具有机械性能好、易于密封等优点,采用与陶瓷电解质热膨胀系数相近且成本低廉的铁素体不锈钢为电池提供结构支撑,有望大幅降低制造成本。金属连接体与金属支撑体是MS-SOFC的2个核心部件,常用的材料有铁素体不锈钢、Cr基合金以及Ni基合金。目前日本、德国、美国和我国均开发了面向SOFC应用的不锈钢体系,不锈钢涂层防护技术也取得了显著的进展,有效提高了材料的抗高温氧化与还原性质。为解决高温烧结制备MS-SOFC所产生的问题,主要采用热喷涂法与低温烧结法制备致密电解质。MS-SOFC使用金属支撑体与连接体,可以使用传统的焊接技术实现支撑体与连接体的有效连接,或通过粉末压制-烧结一体化多孔金属支撑体-连接体结构可以有效实现燃料侧燃料气体的密封。MS-SOFC长期运行性能衰减机理有金属材料的氧化、Cr挥发引起的阴极毒化、催化剂颗粒的粗化等。英国Ceres Power公司、美国通用电气公司（GE）、德国宇航中心（DLR）、德国于利希（FZJ）研究中心、奥地利Plansee公司等均取得了一定的成就,MS-SOFC已初步实现了商业化应用。

固体氧化物燃料电池热电联供系统设计

罗丽琦, 王月, 钟海军, 李庆勋, 谢广元, 王绍荣

2022, 44(8): 25-32. doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.08.002

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研究了一种利用Aspen Plus软件模拟固体氧化物燃料电池热电联供（SOFC-CHP）系统的方法,并以1 kW级系统为例进行了计算,该方法可用于快速判断不同燃料及电堆功率要求下的SOFC-CHP系统热电供应情况。试验结果表明,在理想状态下SOFC的净发电效率可达51%,热效率高达42%,CO₂排放摩尔分数高达70%。所提方法可极大缩短计算速度,对进一步优化系统效率很有帮助。

合金纳米颗粒在碳氢燃料SOFC阳极中的应用

朱沙沙, 李宗宝, 邓雅恬, 王欣, 贾礼超

2022, 44(8): 33-42. doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.08.003

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合金纳米颗粒（NPs）由于多金属之间的协同效应使其具有优异的催化性能、抗积碳和抗硫毒化性能,被广泛应用于固体氧化物燃料电池（SOFC）阳极。NPs在还原气氛下从氧化物支撑体内原位析出,提升了纳米催化剂稳定性的同时使支撑体内富含氧空位,进一步提升阳极的电子电导率和离子电导率。NPs的优异催化性能使SOFC可以碳氢化合物为燃料并具备长期工作稳定性成为可能。主要综述了合金催化剂在SOFC阳极中的发展现状并据此提出了展望。

La/Ni共掺杂SrTi_0.35Fe_0.65O_3-_δ对称电极用于SOEC共电解H₂O/CO₂研究

韩倩雯, 张琨, 陈晓阳, 朱腾龙

2022, 44(8): 43-47. doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.08.004

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通过固体氧化物电解池（SOEC）电解水蒸气制氢及共电解H₂O/CO₂生产合成气是拓展可再生能源应用、促进化学工业绿色低碳转型的重要技术路线。面向SOEC对高性能、稳定电极的需求,采用La/Ni共掺杂SrTi_0.35Fe_0.65O_3-_δ的电极策略,设计并制备了La_0.1Sr_0.85Ti_0.35Fe_0.6Ni_0.05O₃（LSTFN）,并将其同时作为SOEC的氢电极和氧电极。通过扫描电子显微镜（SEM）、能量分散光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）等方法,对LSTFN电极结构组成及微观形貌演化进行研究,并考察了单电池共电解H₂O/CO₂性能和可逆运行稳定性。结果表明,在还原气氛中,LSTFN氢电极表面原位析出了纳米Ni-Fe合金颗粒,并在含水和含碳复杂气氛中稳定存在;在800 ℃,10% H₂保护气和1.8 V的条件下（H₂/H₂O/CO₂=10∶45∶45）,LSTFN的共电解电流达到了1.8 A/cm²,并在发电/电解可逆条件下稳定运行,表现出良好的应用前景。

中低温固体氧化物燃料电池电解质制备方法研究进展

杨莹, 张雁祥, 闫牧夫

2022, 44(8): 50-57. doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.08.005

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固体氧化物燃料电池（SOFC）能够通过氢气与氧气的电化学反应将化学能转化为电能,符合清洁低碳导向,有利于“双碳”目标的实现。减小电解质的厚度有利于降低传统SOFC的工作温度并提高其在中低温（< 600 ℃）工作环境中的电化学性能。综述了几种典型电解质制备技术的主要工艺特点和研究进展,分析了其在电解质工业生产中的优势和局限性,指出以脉冲激光沉积和磁控溅射为代表的物理气相沉积技术更符合清洁生产的理念,更适宜工业生产。

质子陶瓷燃料电池稳定性研究综述

曹加锋, 李欣然, 邵善德, 冀月霞, 邵宗平

2022, 44(8): 58-67. doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.08.006

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质子陶瓷燃料电池（PCFC）工作温度较低,可高效利用和储存氢能,但要实现其大规模应用,需从根本上解决电池稳定性问题。目前很多此类电池的长期工作稳定性表现不佳,众多材料在表现出高活性的同时,长期工作稳定性却面临巨大挑战,成为PCFC大规模应用的障碍。强调了电池稳定性在PCFC研究和实际应用中的重要性,从材料角度剖析了引起电池重要组件（电解质和电极）稳定性变化的内在原因,指明了在改善电解质和电极材料稳定性方面可能的关键突破点,挖掘电池稳定性衰减的科学根源,并为今后从工程上改善电池稳定性问题提供更多思路。

中温质子导体固体氧化物燃料电池的发展与挑战

许阳森, 张磊, 毕磊

2022, 44(8): 68-74. doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.08.007

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质子导体固体氧化物燃料电池（H-SOFC）是一种高效清洁的能源转换装置,可直接将燃料气体转化为电能。虽然传统燃料电池的制备技术日益成熟,但较高的工作温度极大地限制了它的发展。随着燃料电池的工作温度不断降低,中温质子导体燃料电池受到研究者的广泛关注。H-SOFC继承了传统燃料电池全固态及燃料使用灵活等优点,且表现出了优异的电化学性能。但低温环境下阴极反应的动力学缓慢及质子传导率的降低使得燃料电池的电化学性能大大降低。介绍了中温质子导体燃料电池的结构及工作原理,综述了近年来H-SOFC的电解质、阳极和阴极的发展趋势,分析了目前H-SOFC发展面临的挑战。

质子导体固体电解池电解水制氢研究进展

陈晗钰, 周晓亮, 刘立敏, 钱欣源, 王宙, 何非凡, 绳阳

2022, 44(8): 75-85. doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.08.008

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鉴于天然气、煤炭、石油等传统燃料燃烧面临的能源危机和环境挑战,发展新型可持续能源是我国实现“双碳”目标的必经之路。氢能因能量密度高、高效、清洁而备受瞩目。电解水制氢具有工艺简单、氢气纯度高等优点。在H₂制备技术中,利用可再生能源供能的固体氧化物电解槽（SOEC）因具有高效和环保的特点而备受关注。传统氧离子导体固体氧化物电解池（O-SOEC）的发展受到工作温度过高等问题的限制,质子传导型固体氧化物电解池（H-SOEC）具有明显优势。总结H-SOEC电解质、氢电极与空气电极的材料,分析了不同水电解制氢技术的效率及影响电解效率的因素。在已有研究的基础上,指出了H-SOEC发展中存在的问题,并展望了今后的研发方向。

管式质子陶瓷膜燃料电池的制备和性能研究

闫雪玲, 潘翔, 任柯柯, 黄容, 程继贵, 洪涛

2022, 44(8): 86-90. doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.08.009

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质子陶瓷膜燃料电池（PCFC）因可降低固体氧化物燃料电池的工作温度而备受关注,而管式质子陶瓷膜燃料电池相对于平板状电池具备体积功率密度高、机械强度高等优势。为了简化大尺寸管式PCFC的制备过程,使用中空且顶端带有微小孔隙的玻璃管作为制备阳极支撑体的模具,通过相转化的方法使用原料粉一步制备NiO-BaCe_0.7Zr_0.1Y_0.1Yb_0.1O₃（BCZYYb）的阳极支撑。同时探索不同的烧结方式以减少陶瓷基板对管式PCFC电解质陶瓷膜的影响。高温共烧结之后通过扫描电子显微镜（SEM）观察到阳极支撑体内存在大量的连通孔隙,同时浸涂覆法制备出30 μm厚的致密BZCYYb电解质层。管式PCFC以湿润氢气为燃料、环境空气为氧化剂在600 ℃的最大功率密度是80 mW/cm²,欧姆阻抗为14 Ω·cm²,极化阻抗为16 Ω·cm²。通过相转化和固相反应烧结的手段,从原料粉体一步制备成管式PCFC电池,该管电池和制备方法可应用于PCFC管式电池的大规模应用。

基于单层电堆形式的质子交换膜燃料电池仿真模拟研究及优化

胡翀, 赵袁, 陈代芬

2022, 44(8): 91-96. doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.08.010

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质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其较高的发电效率和常温工作稳定性而被广泛关注。传统PEMFC由于电堆内部发电负载不均匀,容易发生“水淹”等问题。大多数研究基于在单电池层面上通过改变流场结构的方法优化PEMFC,但PEMFC工作时往往是组装电堆的形式。为此,设计带有竖直流道作为反应物进出口的单电池电堆结构,并提出一种新型的串联补偿流场,采用3个进气口,并具有首尾互相串联的3个流道,流道之间可以互相补偿反应物。使用ANSYS软件基于单层电堆层面进行仿真模拟研究,保证阳极是相同蛇形流场的情况下,阴极分别采用传统单流道蛇形流场和新型串联补偿流场,分析单层PEMFC电堆中多孔介质层（即扩散层（GDL）和催化层（CL））的电流密度、氧气质量分数、液态水饱和度、速度矢量和流道压力的分布规律。仿真结果表明：传统单流道蛇形流场单层PEMFC电堆中,整体管道压降较高,电流密度和氧气质量分数较高的区域集中在入口段,越靠近出口段分布越少;出口段液态水饱和度较高而速度矢量没有明显升高,液态水容易囤积在出口段;新型串联补偿流场,电流密度分布相对均匀,氧气质量分数有多个较高的区域,分布更加广泛,电化学反应更加充分,整体压降较低,在氧气质量分数较高的区域,速度矢量明显较高,促使氧气在多个流道间快速补充和扩散,整体液态水饱和度相对较低,出口段同样速度矢量较高,排水效果增强。

燃料电池金属有机框架质子膜材料研究展望

张靖, 刘宇宙, 贺贝贝, 赵凌

2022, 44(8): 97-106. doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.08.011

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质子交换膜燃料电池（PEMFC）是清洁高效的能源转换装置。质子交换膜作为重要的组件之一,会选择性地允许质子转移,但其昂贵的制作成本及较差的高温稳定性限制了在宽温范围的应用。金属有机框架（MOF）材料合成方法简单、结构稳定、比表面积高,广泛应用于催化和吸附等领域。近年来,研究人员发现某些MOF材料在一定温度、湿度范围内拥有优异的质子传导性能,且合成价格低廉,可作为潜在的质子交换膜替代材料。从有机配体（羧酸盐、膦酸盐、磺酸盐等）和客体分子（咪唑、铵根离子等）两部分叙述MOF材料的合成,每种MOF材料的化学稳定性、质子导电性能及其导电机理等方面的研究进展,并指出该类导电材料的发展前景和未来面临的挑战及可实施策略。

2022年 第44卷 第8期 刊出日期：2022-08-25

2022年第44卷第8期刊出日期：2022-08-25