固體氧化物燃料電池新型材料

本書主要結合國內外固體氧化物燃料電池材料的研究進展,探討鈣鈦礦型複合氧化物電解質材料、陰極材料和陽極材料及其組成單電池的製備工藝和性能，以期對固體氧化物燃料電池技術的研究有所推動。本書共分為7章，第1章為燃料電池技術概述，第2章為中溫固體氧化物燃料電池技術，第3章為中溫固體氧化物燃料電池新型陰極材料，第4章為中溫固體氧化物燃料電池新型陽極材料，第5章為中溫固體氧化物燃料電池新型電解質材料，第6章為中溫固體氧化物燃料電池單電池技術及堆循環系統新流程，第7章為陽極支撐中溫固體氧化物燃料電池及其材料的研究。 本書可供從事固體氧化物燃料電池和新材料研究與開發的科研人員、企事業單位的技術人員和管理人員閱讀，也可供能源、化學、材料等相關專業教師和學生參考。

內容簡介

本書結合國內外固體氧化物燃料電池材料的研究進展，探討鈣鈦礦型複合氧化物電解質材料、陰極材料和陽極材料及其組成單電池的製備工藝和性能，以期對固體氧化物燃料電池技術的研究有所推動。

圖書目錄

第1章燃料電池技術概述1
11燃料電池的工作原理1
12燃料電池的特點2
13燃料電池的分類3
14燃料電池的套用4
15研究進展5
151鹼性燃料電池5
152磷酸燃料電池6
153熔融碳酸鹽燃料電池8
154固體氧化物燃料電池(SOFC)11
155質子交換膜燃料電池（PEMFC）11
156其他類型的燃料電池13
第2章中溫固體氧化物燃料電池技術16
21SOFC的工作原理17
22SOFC的結構類型18
23SOFC的特點和套用19
24SOFC的研究進展20
241國外研究進展20
242國內研究進展22
243SOFC的中溫化22
25SOFC的構件材料研究狀況23
251SOFC的陰極材料24
252SOFC的電解質材料25
253SOFC的陽極材料27
254SOFC的互連線材料28
255SOFC的密封材料29
256SOFC電池製備技術29
第3章中溫固體氧化物燃料電池新型陰極材料32
31陰極材料La1-xSrxFe1-yMnyO3-δ
(LSFM)32
311檸檬酸鹽法製備LSFM的過程34
312檸檬酸鹽法製備LSFM的性能38
32陰極材料La1-xSrxFe1-yCoyO3-δ
(LSFC)42
321EDTA螯合溶膠凝膠法製備的
關鍵43
322EDTA螯合溶膠凝膠法製備LSFC
工藝最佳化46
323LSCF材料結構和性能研究50
33陰極材料La08Sr02Co0085CuxFe0915-xO3-δ
(LSCCuF)53
331XRD分析54
332SEM及EDS分析55
333電導率測量結果與分析56
334LSCCuF與電解質的化學相容性
研究57
34陰極材料La08Sr02Co005FexMn095-xO3-δ
(LSCFM)57
341差熱熱重分析57
342粉體預燒和膜體的製備58
343XRD檢測59
344掃描電鏡59
345能譜分析59
346電導率σ和電導活化能Ea59
347碘滴定61
35陰極材料La1-x-ySrxCayFe1-zCozO3-δ
(LSCaFC)61
351XRD分析和EDS分析61
352SEM和BET結果62
353雷射粒度分析62
354碘滴定法測量樣品的氧非化學
計量值63
355材料電導率63
356LSCaFC與LSGM電解質的化學
相容性64
36陰極材料La1-x-ySrxCayMn1-zCozO3-δ
(LSCMC)65
361La1-x-ySrxCayMn1-zCozO3-δ
(LSCMC)DSC/TG分析65
362變溫X射線衍射分析65
363電子探針顯微（EPMA）分析69
364粒度分析69
365材料製備焙燒曲線70
366材料的電導性能70
367電導活化能71
368特徵溫度、體積密度及
微觀形貌72
369材料的熱性能72
3610材料的化學性能73
3611催化性能74
3612陰極材料的氧表面交換75
第4章中溫固體氧化物燃料電池新型陽極材料76
41陽極材料La1-xSrxCr1-yMnyO3-δ
(LSCM)76
411改進固相法製備LSCM陽極
材料76
412GNP法製備LSCM陽極材料83
42陽極材料La1-xSrxCr1-y-zMnyCozO3-δ
(LSCMCo)87
421LSCMCo的物相分析87
422LSCMCo的形貌分析88
423LSCMCo的電導性能88
424LSCMCo的催化性能90
43陽極材料Ce08Ca02O18(CDC82)90
431CDC82前驅體物料的熱分析91
432CDC82的物相分析91
433CDC82的生成機理探討91
434CDC82的形貌分析92
435CDC82的電導性能93
436CDC82與LSGM和LSCM的化
學相容性94
437CDC82的催化性能94
44陽極材料Ce08Gd02O2-δ(GDC82)95
441GDC82前驅體物料的熱分析95
442GDC82的物相分析95
443GDC82的生成機理探討95
444GDC82的形貌分析96
445GDC82的電導性能96
446GDC82與LSGM和LSCM的化
學相容性97
447GDC82的催化性能98
45陽極材料Ce08Ca02O2La07Sr03Cr05
Mn05O3-δ(CDCLSCM)99
451CDCLSCM熱重分析檢測結果99
452CDCLSCM XRD物相分析檢測
結果99
453CDCLSCM掃描電鏡顯微結構
分析102
454CDCLSCM能譜分析結果102
455CDCLSCM與電解質YSZ相容性
測試103
456CDCLSCM在氫氣中的催化性
反應103
457CDCLSCM在空氣和氫氣氣氛下
的電導率104
46新型陽極材料3Ce08Ca02O027La07Sr03Cr05
Mn05-yCoyO3-δ(CDCLSCMCo)105
461CDCLSCMCo的特徵105
462CDCLSCMCo01材料的熱分析105
463CDCLSCMCo01材料的物
相分析106
464CDCLSCMCo01材料的能
譜分析107
465CDCLSCMCo01材料的形
貌分析108
466CDCLSCMCo材料的電
導性能108
467CDCLSCMCo015材料分別與電解質
YSZ和LSGM的化學相容性110
468CDCLSCMCo015材料與電
解質LSGM的熱相容性111
469CDCLSCMCo015材料在氫氣下
的催化性能111
第5章中溫固體氧化物燃料電池新型電解質材料113
51電解質材料La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ
(LSGM)114
511LSGM的合成物料分析115
512LSGM合成物料的熱分析117
513LSGM的物相分析118
514LSGM的生成機理探討118
515LSGM的能譜分析119
516LSGM的形貌分析120
517LSGM粉體的粒度分布120
518LSGM的導電機理及性能121
519GNP法製備LSGM電解質
材料125
5110固相GNP聯合燒結法製備LSGM
電解質材料探索126
52LSGMC電解質材料合成及性能
研究127
521LSGMC前驅體物料的熱重
分析127
522燒結溫度127
523電極材料與電解質的化學相
容性128
524LSGMC陶瓷片的形貌分析129
525LSGMC粉體的粒度分布132
526碘量法測非化學計量值133
527LSGMC的電導性能133
第6章中溫固體氧化物燃料電池單電池技術及堆循環系統新流程136
61LSGM電解質與電極材料之間的
相容性136
611LSGM電解質與備選電極材料之間
的化學相容性能136
612LSGM電解質與備選電極材料之間
的熱匹配性能136
613備選電極材料的電導性能139
62單電池製作及性能考察140
621電池構件薄膜製作140
622電極薄膜的微觀形貌141
623單電池性能測試與結果145
63ITSOFC堆循環系統新流程148
631陽極積碳機理研究149
632甲烷重整措施154
633生物質氣等含甲烷燃料在SOFCs
中的循環系統新流程156
634循環系統的工作原理與特點156
第7章陽極支撐中溫固體氧化物燃料電池及其材料的研究160
71LSCM陽極材料的製備和性能表征160
711LSCM陽極材料的合成與表征160
712LSCM陽極基底的製備及造孔劑的
選擇研究160
713LSCM陽極材料的形貌結構162
714LSCM多孔陽極對甲烷的催化
活性165
715LSCM多孔陽極的電導率165
72NiOLDC陽極材料的製備和性能
表征166
721LDC材料製備及性能研究167
722NiOLDC陽極片製備及性能
研究169
73LSGM電解質薄膜的製備和性能
表征174
731固相法合成LSGM電解質
材料174
732射頻磁控濺射法製備LSGM電解質
薄膜175
733LSGM電解質薄膜的表征及工藝
最佳化177
734漿料旋塗法製備LSGM電解質
薄膜192
735LSGM電解質薄膜的表征及工
藝最佳化193
74單電池片製備及電池性能測試196
741單電池片製備197
742LSCM陽極支撐/漿料旋塗
LSGM/LSCF單電池片197
743LSCM陽極支撐/磁控濺射
LSGM/LSCF單電池片200
75NiOLDC陽極支撐單電池片性能
測試203
751NiOLDC陽極支撐/漿料旋塗
LSGM/LSCF單電池片204
752NiOLDC陽極支撐/磁控濺射
LSGM/LSCF單電池片207
參考文獻211

序言

能源利用和環境保護是人類實現可持續發展的重要保障，開發環境負荷低的能源高效利用技術具有重要的科學意義和廣闊的套用前景。燃料電池具有高效、清潔的優點，被視為21世紀最有發展前途的能源技術之一。為實現我國的節能減排目標，建設節約型社會，進一步高效利用豐富的煤炭資源和生物質資源，我國倡導對固體氧化物燃料電池(SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)開展研究，儘快實現產業化套用。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006～2020）》也明確了SOFC作為分散式發電系統的研究開發計畫。SOFC的一個重要發展方向是在保持含碳燃料內部重整的前提下降低其工作溫度，即研究開發中溫固體氧化物燃料電池(ITSOFC，一般認為操作溫度為500～850℃)。與常規的SOFC相比，ITSOFC不僅可以提高電池的開路電壓，而且由於可以使用金屬封裝材料，可明顯降低其製造與運行成本，同時，製備與使用溫度相適應的ITSOFC新型構件材料以保證電池性能成為研究的重點之一。近年來，得到了國內外的密切關注。
目前，國內的SOFC研究大多還處於各種基礎材料的實驗室探索試驗階段以及對於電池、電池堆和系統的模型研究階段。其中，對SOFC的各種構件材料的製備、性能研究較為集中。研究製備性能穩定、催化性能良好、與電解質匹配好的多孔電極材料以及性能穩定、與電極匹配好的緻密電解質材料，並探索單電池的製作技術和工藝流程，力圖降低操作溫度，為以後大功率電池組的組裝積累理論依據和技術支持有著重要的意義。
昆明理工大學真空冶金國家工程實驗室近年來在國家自然科學基金、雲南省中青年學術帶頭人後備人才培養項目、教育部新世紀優秀人才支持計畫等項目支持下對SOFC主要構件材料的製備、結構和性能進行了系統的研究。本書主要根據課題組在ITSOFC新型構件材料方面的研究成果，結合國內外ITSOFC材料的研究進展，探討鈣鈦礦型複合氧化物電解質材料、陰極材料和陽極材料及其組成單電池的製備工藝和性能，以期對ITSOFC技術的研究有所推動。
全書共分為7章：第1章為燃料電池技術概述；第2章為中溫固體氧化物燃料電池技術；第3章為中溫固體氧化物燃料電池新型陰極材料；第4章為中溫固體氧化物燃料電池新型陽極材料；第5章為中溫固體氧化物燃料電池新型電解質材料；第6章為中溫固體氧化物燃料電池單電池技術及堆循環系統新流程；第7章為陽極支撐中溫固體氧化物燃料電池及其材料的研究。
本書由馬文會、於潔、陳秀華著，各章分工如下：第1、2、3章由於潔老師著；第7章由陳秀華老師著；其餘各章由馬文會老師著並負責總體統稿。此書的出版,特別感謝昆明理工大學戴永年院士、王華教授、楊斌教授以及昆明冶金研究院謝剛教授的大力支持與幫助，在此表示誠摯的謝意。本書還得到課題組的老師和學生秦博、劉榮輝、馬學菊、張徐民、林航生、孫紅燕、陽建君、邢潔、李蕊的幫助，在此表示衷心的感謝。
由於著者時間和水平的限制，書中的不足和疏漏之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。
著者2014年4月