4分钟内固体氧化物燃料电池性能提升三倍

发布时间：2024-07-30 16:38:23 栏目：生活

导读 韩国能源研究所(KIER)氢能融合材料实验室的 Yoonseok Choi 博士与韩国科学技术研究院材料科学与工程系的 WooChul Jung 教授以及釜山

韩国能源研究所(KIER)氢能融合材料实验室的 Yoonseok Choi 博士与韩国科学技术研究院材料科学与工程系的 WooChul Jung 教授以及釜山国立大学材料科学与工程系的 Beom-Kyung Park 教授合作，成功开发出一种催化剂涂层技术，可在短短 4 分钟内显著提高固体氧化物燃料电池(SOFC)的性能。



燃料电池作为推动氢经济的高效清洁能源设备，正受到人们的关注。其中，发电效率最高的固体氧化物燃料电池(SOFC)可以使用氢气、沼气和天然气等各种燃料。它们还可以利用过程中产生的热量进行热电联产，因此成为活跃的研究和开发对象。

*固体氧化物燃料电池(SOFC)：一种燃料电池，其中电极和电解质都是固体材料，工作温度在 700 摄氏度以上。

固体氧化物燃料电池 (SOFC) 的性能在很大程度上取决于空气电极 (阴极) 上发生的氧还原反应 (ORR) 的动力学。空气电极的反应速率比燃料电极 (阳极) 的反应速率慢，从而限制了总反应速率。为了克服这种缓慢的动力学，研究人员正在开发具有高 ORR 活性的新型空气电极材料。然而，这些新材料通常仍然缺乏化学稳定性，需要持续研究。

研究团队将重点放在了提高LSM-YSZ复合电极的性能上，这种材料由于稳定性极佳而在工业中得到广泛应用。因此，他们开发了一种涂层工艺，将纳米级氧化镨(PrOx)催化剂涂在复合电极表面，从而积极促进氧还原反应。通过应用这种涂层工艺，他们显著提高了固体氧化物燃料电池的性能。

*LSM-YSZ复合电极：由导电钙钛矿LSM(镧锶锰氧化物)和氧离子导电电解质YSZ(氧化钇稳定氧化锆)组成，由于其出色的热兼容性和化学兼容性，这种材料传统上被广泛用作空气电极。

研究团队介绍了一种电化学沉积方法，该方法在室温和大气压下进行，不需要复杂的设备或工艺。通过将复合电极浸入含有镨(Pr)离子的溶液中并施加电流，电极表面产生的氢氧离子(OH-)与镨离子发生反应，形成均匀覆盖电极的沉淀物。该涂层经过干燥过程，转变为保持稳定的氧化物，并有效促进高温环境下电极的氧还原反应。整个涂覆过程仅需4分钟。

*阴极电化学沉积(CELD)：一种利用电化学反应将金属或金属化合物沉积到电极表面的方法。

此外，研究团队还阐明了涂覆纳米催化剂促进表面氧交换和离子传导的机理，为催化剂涂覆法解决复合电极反应速率低的问题提供了基础证据。

通过运行开发的催化剂涂层复合电极和传统复合电极超过 400 小时，研究小组发现极化电阻降低了十倍。此外，在 650 摄氏度时，使用这种涂层电极的 SOFC 的峰值功率密度比未涂层电极高三倍(142 mW/cm² → 418 mW/cm²)。这是文献中报道的使用 LSM-YSZ 复合电极的 SOFC 的最高性能。

共同通讯作者 Yoonseok Choi 博士表示：“我们开发的电化学沉积技术是一种后处理工艺，不会对现有的 SOFC 制造工艺产生重大影响。这使得引入氧化物纳米催化剂具有经济可行性，从而提高了其工业适用性。”他补充道：“我们已经获得了一项核心技术，它不仅可以应用于 SOFC，还可以应用于各种能源转换设备，例如用于制氢的高温电解 (SOEC)。”