中空陶瓷纤维膜质子传导燃料电池的制备与体系稳定性研究

作为一种新型的能源转换方式，燃料电池具有高的能量转化效率并且环境友好，其中固体氧化物燃料电池由于全固相结构，易于存储和运输等特点，已成为当前研究的热点。相对氧离子传导，质子传导陶瓷膜燃料电池具有工作温度低、活化能低等优势而被认为是一种很有前途的能源转换方式。制约目前高温质子导体陶瓷膜燃料电池发展的主要问题是：（1）化学稳定性差；（2）材料烧结活性差。本课题中申请人拟通过元素掺杂、替代，工艺新途径及开发新型质子导体体系等手段探索制备出化学稳定性、烧结活性均优的锆酸钡基新型质子导体电解质，并结合多种微观手段研究质子陶瓷膜制备过程中的烧结动力学，及影响质子导体稳定性和烧结活性的机制问题。课题还将利用获得的稳定化质子电解质材料与中空纤维微管技术相结合，制备质子陶瓷膜中空纤维微管燃料电池，并进行微型质子陶瓷膜燃料电池堆的集成化探索。

作为一种新型的能源转换方式，燃料电池具有高的能量转化效率并且环境友好，其中固体氧化物燃料电池由于全固相结构，易于存储和运输等特点，已成为当前研究的热点。本基金项目（21076204）主要研究具有低活化能，有望在中低温使用的质子传导陶瓷膜SOFC燃料电池(H-SOFC)。针对目前H-SOFC主要研发体系BaCeO3电解质材料化学稳定性差；BaZrO3材料烧结活性差；及缺乏活性高的阴极等问题，本基金通过新体系探讨，制备工艺优化及逆向思维创新等措施开发新的高稳定或高性能的电解质及阴极关键材料；同时，研究制备中空陶瓷纤维管燃料电池，为H-SOFC电池未来的小型化、低成本化积累制备经验。通过3年来基金项目的资助研究，科研工作取得了优异成果，主要表现在以下几个方面：（1）利用相转化法制备出综合性能尚可的CeO2/BaZrO3复合电解质中空陶瓷纤维管SOFC电池及BaZrO3基H-SOFC片式电池，对中空陶瓷管制备的相转化法工艺、离子、电子在陶瓷膜中的传导机制及影响输运性能的外界条件（温度、气流及微结构）进行了研究；（2）开发了新的高稳定性质子传导体系，如La高掺杂的CeO2萤石结构(简称LDC)质子传导体系，并开展了相应体系中质子传导机理的研究；（3）探索了具有高性能或高稳定性或相对成本低廉的新型H-SOFC阴极材料，如大胆的将不传导质子的SmSrCoO3-Ce1-xSmxO2复合阴极材料用做质子传导陶瓷膜燃料电池的阴极，取得了很好性能效果；（4）开展了质子/电子混合导体的研制与氢分离应用。. 截止项目结题时，基金研究过程中取得的创新成果已在国内外重要学术刊物上发表SCI论文24篇，其中约有一半为II区以上的高水平论文。此外，通过基金项目研究还为我国未来的SOFC能源领域的发展培养了高水平后备人才。