SE535245C2 - Bränsleceller utan ektrolyter - Google Patents

Bränsleceller utan ektrolyter

Info

Publication number
SE535245C2
SE535245C2 SE1000813A SE1000813A SE535245C2 SE 535245 C2 SE535245 C2 SE 535245C2 SE 1000813 A SE1000813 A SE 1000813A SE 1000813 A SE1000813 A SE 1000813A SE 535245 C2 SE535245 C2 SE 535245C2
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
fuel cell
conducting material
cell according
component
electrolyte
Prior art date
Application number
SE1000813A
Other languages
English (en)
Other versions
SE1000813A1 (sv
Inventor
Bin Zhu
Original Assignee
Gett Fuel Cells Internat Ab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gett Fuel Cells Internat Ab filed Critical Gett Fuel Cells Internat Ab
Priority to SE1000813A priority Critical patent/SE535245C2/sv
Priority to CN2011800425612A priority patent/CN103081197A/zh
Priority to PCT/SE2011/050959 priority patent/WO2012018297A1/en
Priority to EP11814871.7A priority patent/EP2601703A1/en
Publication of SE1000813A1 publication Critical patent/SE1000813A1/sv
Publication of SE535245C2 publication Critical patent/SE535245C2/sv

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/08—Fuel cells with aqueous electrolytes
    • H01M8/083—Alkaline fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/08—Fuel cells with aqueous electrolytes
    • H01M8/086—Phosphoric acid fuel cells [PAFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/002—Inorganic electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0048—Molten electrolytes used at high temperature
    • H01M2300/0051—Carbonates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0088—Composites
    • H01M2300/0091—Composites in the form of mixtures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Uppfmningen rör a helt ny typ av bränslecell (FC), utan enskild anod-, elektrolyt- ellerKatod-konstruktion utan gjord avenbart en enkelkomponent med både jonisk ochElektronisk ledningsförmåga. Två-komponentsversioner är också möjliga. Med dennaConfiguration utan elektrolyt behövs inte den konventionella trekomponents FC-teknologin. Istället är en- eller två-komponentsdesignen konstruerad genom att använda material med lämplig porositet vilket gör denna FC-teknologi fullständigt olik jämfört med konventionell FC-teknologi vilken kräver en tät elektrolyt och porösaelektroder (anod och katod). Den nya en- eller två-komponentsFCn har demonstreratutmärkt och stabil funktion som ger 200 till 900 mWcmJ mellan 400 och 600 ° C. Dennya teknologin har även demonstrerat goda resultat med stora ytor som 6x6 cmz, då med ett bidrag på 10-20 watt. Den nya F C-teknologi som beskrivs här kommer att ha stora fördelar vad avsertillverkning, kostnader, prestanda och konkurrenskraft samt har potential att revolutionera framtida FC-teknologi, utveckling och marknader.

Description

535 245 zirconia) för att nå tillräckligt högjonkonduktivitetófl. Detta har historiskt allvarligt begränsat valet av konstruktionsmaterial vilket resulterat i alltför höga kostnader för en kommersialiseringz.
Som en konsekvens av detta har stora ansträngningar lagts på att utveckla nya, altemativa elektrolytmaterial för SOF Cs med avsikten att sänka arbetstemperaturen” för att minska kostnaderna och göra valet av material enklare etc. Exempel på material är fluoritstrukturerad jondopad ceriumw, oxides",av proveskite-typ 02' ledande oxidern och protonledande keramer” liksom andra komplexa material som LagMozOgu, BalnO- baserade oxiderß, apatite-type oxiderw och annatz. SOFC-elektrolyter kan utvecklas genom design från strukturer som baseras på olika nya materialen".
Den nya uppfinning som beskrivs här företer ett genombrott och en helt ny bränslecellsteknologi som inte kräver en MEA-konstruktion/teknologi. Den är utan elektrolyt och använder i stället enbart en eller två komponenter. Materialen i FCn är antingen baserade på cerium-kompositer som består av nanokompositer av metalloxider eller industriella produkter med blandade jordartsoxider.
Figur 1 visar en konventionell FC konstruerad av tre komponenter. la) Uppfinningen - en FC teknologi utan elektrolyt, lb) Utan anod och katod med endast en enkel- komponent.
När FCn utan elektrolyt placeras i H2 och luñ kan både H2 och 02 katalytiskt åtskiljas som H* och 02' och alstra elektricitet genom en dubbelkatalytisk funktion hos komponenten. H* och 02' blir ett pà partikelns yta och producerar H20. Under denna process fungerar H2 's kontaktsida som en anod som frigör elektroner genom att skapa H* och luftens (02) kontaktsida som en katod vilken tar emot elektroner vilket innebär att FC-reaktionen omedelbart är slutförd så länge som I-Y och 02' är i lämplig eller nära anslutning. I denna uppfinning är den jontransport som sker inom elektrolyten I en konventionell FC ersatt med jonísering på ytan, rörelse och reaktion i en F C-reaktor utan elektrolyt. Alla reaktioner och processer slutförs på partiklamas yta genom en direkt 535 245 förening av H* - och 02' -joner. Reaktionsprocessen för den patentsökta FCn beskrivs nedan. pâ H2 -sidan: H2 -+ 2H+ +2e' (1) vid lufisidan (o2); 1/20, + 2 e' _» 02' (2) generella reaktioner: H2 + 1/202 -> 2H+ + 02' (3-a) 2 H* + 02' -» H20 (s-b) Detta skall jämföras med FC-reaktioner/processer, tex. i fallet men en I-f -ledande elektrolyt. vid anoden: H2 -> ZH* +2e' (4) vid katoden: 1/202 + 2 l-Ü + 2e' -v H20 (5) generella reaktioner: H2+I/202 -> H20. (6) Och i fallet med den 02' -ledande elektrolyten: vid anoden; H2+o2' -+ H20 - ze' (7) vid katoaen; 1/2o2 + 2 e' _» 02' (s) generella reaktioner: H2+1/202 -+ H20. (9) Den betydelsebärande skillnaden mellan andra FCs och denna uppfinning är att denna FC inte omfattar jon (l-Ü or 02-) transport genom elektrolyten. FC-reaktionen sker istället direkt med H* och 02' jonema på partiklarnas yta. Pâ detta sätt är den uppfunna FCn en reaktor och inte som en vanlig bränslecellsapparat.
Det har förekommit en uppfinning, en SOFC med enkelkropp med patentnummer US 5298235, 1994, Worrell et al. Den FC-apparaten var dock fortfarande baserad på en elektrolyt- och elektrod-trekomponentsfunktíon.
Ett annat amerikanskt patent, 20090258276, 2009, beskriver en bränslecell som är konstruerad av material med P-N funktioner. För denna fanns inte behov av att konstruera en elektrolyt men den blev bestrálad med ljus senares.
En summering av uppfinningen Denna uppfinning avser en revolutíonärt ny bränslecells teknologi- en FC utan elektrolyt och teknologi. FCn konstruerades baserad på en- eller tvåkomponenter vilka har en blandad elektronisk ledning och jonledning, där blandade jordartsmetaller (oxider) både 535 245 naturliga och syntetiserade som jonledande material blandade med metalloxider som elektroniskt ledande material. l alla existerande bränslecellsteknologíer och apparater finns tre basala bränslecellskomponenter: anod, elektrolyt och katod. Dessa fonnar en så kallad MEA (membrane and electrolyte assembly). Elektrolyten ska erbjuda elektronisk isolering men fullt genomträngbar för joner, e.g. 02' eller PF' -ledning för att fullständigt separera drivmedlet och oxidanten. Existerande SOFC-teknologier kräver alla konstruktioner med fullständig detaljerade törenlighet mellan komponentema både mekaniskt och elektrokemiskt. De ska även erbjuda god kemisk stabilitet. Speciellt har elektrolytens jontransporterande ßrmàga eller ledníngsflinnåga har begränsat driflsfunktionema. Tex i SOFCs fall når för närvarande ”yttrium stabilised zirconia” (Y SZ) en önskad ledningsfiirrnåga på 0.] S/cm vid l000°C, vilket resulterar i drifi vid höga temperaturer. l denna uppfinning har FCn utan elektrolyt ingen separat anod, elektrolyt och katod.
Istället används enbart en eller två komponenter. FCn består av åtminstone två funktioner för elektronisk och jonisk, tex l-fl/Oz-ledningsfönnåga och katalyt till både H2 och 02.
FCn är konstruerad av antingen en eller två komponenter av ett homogent material eller två komponenter med olika material och ett interface mellan de två komponentema.
Ingen elektrolyt. Komponentema har blandade jonisk och elektroniskt ledande (MIEC) material framställda av rena MIE-ledare eller en blandning/komposit av elektronisk och joniska ledare/material. Komponentema är gjorda med lämplig struktur och nödvändiga porositet vilket är nödvändigt för alla bränslecellsteknologier. Normal keramisk sintring eller keramiska filmfonnande teknologier har använts.
Enligt denna uppfmning är de jonledande materialen proton- eller syre-jonledande material vanligen i) dopade Ba(Ce,Zr)O3 keramer; ii) jondopat cerium (SDC: samariumdopat cerium; GDC: gadoliniumdopat cerium; yttriumdopad cerium; kalciumdopat cerium; Sm-Pr- eller Gd-Pr-dopat cerium; iii) blandade jordartsmetaller (oxider), e.g. DCP (patententerad i Sverige..xxx); iv) YSZ, ScSZ; v) LaGaMgO3 etc.; vi) 535 245 ceriumbaserade inklusive LCP-kompositer som patenterats tidigare, PCT och svenskt patent nummer 0101424-0.
Enligt en annan flâredragen konkret form av uppfinningen är den elektroniskt ledande fas- materialen baserade på metalloxider, speciellt, M (M= Li, Na, K, Cu, Ni, Zn, Mg, Ag, Fe, Sn, Al, Co, Mn, Mo, Cr, In, Ca, Ba, Sr) -oxider och deras komplexa oxider med två eller fler av dessa oxider i en blandning eller komposit.
Dessa metalloxider kan definieras i olika metalloxidsystem, e.g. Fe-oxidsystem, som odopad BiFeO;, enkeldopad BiFeO3 (e.g. Bi0_9Ba0_1FeO;, ßiFeogMnoJOg, ßiogCaoiFeOg, ßiFeogCruiOg etc.) och dubbeldopad BiFeO3 (e.g. Bi0.9Ba0.lFe0.9Mn0.lO3, Bi0.9Ca0.lFe0.9CrO.103) Zn-oxidsystem med både en n- och p-typ av ZnO. Al, Ga, och i så substitutionella ingredienser som Zn och Cl och I så substitutionella ingredienser som O kan användas som n-typ av dopämnen; p-typ Zn0 med Li, Na, och K, Cu, Ag, och N, P, As.
Enligt en annan mer töredragen konkret fonn av uppfinningen innehåller vissa material naturligt både jonisk och elektronisk ledningsfórrnåga baserad på proveskite oxider av Ba0.5Sr0.5-Co0.8Fe0.2032d(BSCF), (Ba/Sr/Ca/lßW6MxNbl-xO3-å (M: Mg, Ni, Mn, Cr, Fe, ln, Sn); dopad LaMO3 (M= Ni, Cu, Co, Mn), e.g. LaNi0_,Fe,,,,Cu.,_,,0, etc.
Jämfört med andra FC-teknologier har teknologin för bränslecellen utan elektrolyt konstruerad med en eller två komponenter fördelar speciellt vad avser kemisk stabilitet, mekaniska egenskaper och kompatibilitet (elektrolytens problem med kompatibilitet mellan anoden och elektrolyten liksom elektrolyten och katoden undviks således). Den nya enkomponents-FCn utan elektrolyt har uppvisat extraordinära FC-prestanda, mellan zoo och iooo mwcm* under soo-sooo mAcm-Z inom rempemmfområaa (400 m1 600°C).
Bränslecellsteknologin utan elektrolyt kan erbjuda en extremt billig FC-teknologier med en stor marknadspotential. Det finns en stor potential till fortsatt utveckling med en person som år skicklig inom området. Nyckeln ligger i att optimera material, blandningar, syntetisering och tillverkningsteknologier genom att använda keramiska membranteknologier. 535 245 Kort beskrivning av ritningen och figgrer Några typiska FC-prestanda med en en- eller tvåkomponentskonstruktion visas i figurer och är även förtecknade i tabell 2 nedan.
Figur 1. En konventionell fastkerarn FC (till vänster) med tre komponenter (inkluderande katod, elektrolyt och anod). Till höger FCs utan elektrolyter.
Figur 2 illustrerar typiska karaktärístika; I-V (strömtäthet-volt) och I-P (effekttäthet) för en enkomponentskonstruerad FC-enhet med olika materialkomposítioner: a) och b). b) avser kommersiell GDC och SDC som jonledande material, blandade metalloxider, av Ni-Cu-Zn-oxid som den elektroniska; c) LCP-LiNiCu-oxid; d) SDC-LiNaCO3-komposít- LiNiCu-oxid; e) Na2CO3-SDC-nanokomposit-LiCuZnNi-oxid.
Bränsle: H2, Oxidant: luñ. Gasflöde: 80 till l20 ml/min, gastryck: I atm; Cellstorlek: 13 mm i diameter med en aktiv area på 0.7 cmz.
Figur 3 visar ökad prestanda genom att förbättra metalloxidens katalytiska funktion i LiCuZnNi-Fe-oxiden och nanokompositens Na2CO3-SDC-jonledare.
Bränsle: H; Oxidant: lufi. Gasflöde: 80 till l20 ml/min, gastryck: 1 atm; Cellstorlek: 13 mm i diameter med en aktiv area på 0.7 cmz.
Figur 4 visar I-V/I-P-karaktäristiska för en tvåkomponentskonsuuerad FC utan elktrolyt. a, b och c är vid 480, 520 respektive 560°C.
Bränsle: H; Oxidant: lufi. Gasflöde: 150 till 200 ml/min, gastryck: l atm; Cellstorlek: 20 mm i diameter med en aktiv area på 2.l cmz.
Figur 5 visar I-V/I-P-karaktäristiska för den bästa FCn genom att både den jon- och elektroniska ledningstörrnågan förbättrats. a, b och c är vid 480, 500 respektive 520°C.
Bränsle: H; Oxidant: luft. Gasflöde: 80 till l20 ml/min, gastryck: l atm; Cellstorlek: 13 mm i diameter med en aktiv area pá 0,7 cmz. 535 245 Figur 6 visar l-V/l-P-karaktäristiska för F Cn med membran som tillverkats med slurry casting process och het-pressning vid 550°C.
Bränsle: H2_ Oxidant: lufi. Gasflöde: 1000 till 2000 ml/min, gastryck: 1 atm; Cellstorlek: 6 x 6 cmzi diameter med en aktiv area på 25 cmz.
Detaljerad beskrivning av den avsedda utföringsforrner Material och pregareringar De jonledande materialen: i) iii) SDC (cerium dopat med samarium), GDC (cerium dopat med gadolinium) och YSZ (yttrium stabilized zirconia) syre-jonledare var inköpta från (Seattle Specialty Ceramics, Seattle, WA, USA).
Nanostrukturerad SDC-NagCQ-n i.e. nanokomposit-elektrolyter syntetiserades i en samflillningsprocess. Vid syntetiseringen av oeriumkarbonat-kompositema användes de följande kemikaliema i 1.0 M-lösningar, Ce (NO;)3'6H2O (Sigma- Aldrich) och Sm (N03);'6H2O (Sigma-Aldrich). Enligt önskade molartörhållanden blandades lösningen av Sm (NO;)3'6H2O en lösning av Ce (NO3);'6H2O. Vad avser “metalljonz Karbonatjon l:2 i molar förhållande, adderades en a väsentlig mängd NazCO; -lösning (1.0 M) långsamt (10 ml/min) för att helt tillverka ceriumkarbonat-kompositema med en våtkemisk samfállningsprocess. I samma process farms en blandning av SDC och karbonater med. Efter denna process filtrerades blandningen med ”suction filtration method” F ällningen torkades över natten i en ugn vid 50°C. Slutligen krossades torrmassan (dried solid) i en mortel och sintrad vid 800°C i en timme.
LCPn inköptes från Baotou rare-earth plant, Inre Mongoliet, Kina, en världskänd jordartsproducent. Tabell 1 fórtecknar innehållet i LCPn efter värmebehandling vid 800°C i 2 timmar. Genom att värmebehandla LCPn direkt vid denna temperatur skapade de resulterande materialen jordartsmetalloxider I en 535 245 blandning/komposit med de huvudsakliga komponentema som bestod av CeOz, LagOg och flera procent PrfiOn, se tabell l. Dessa LCP användes som elektrolyter till lTSOFCs. LCPn kan modifieras vidare genom att addera andra alkaliska eller alkaliskajordkarbonater, e.g., MXCO; (M= Li, Na, K, Ca, Sr, Ba, x = 1, 2). Under värmebehandlíngen kan delar av CeOg och MXCO; bilda någon form av jondopat ceríum, MxCenxOg, de resulterande materialen blev till och med bättre SOFC- elektrolyter.
Tabell I Komposition av en industriell LCP- produkt efier 2 timmars vârmebehandling vid 800°C LCP TREO LagOg CeOg PróOn NdgOg Sm-2O3 Y2O3 Re2(C03) 3 43.25 36.55 57.69 5.59 0.18 < 0.0l < 0.04 Elektroniskt ledande material: De elektroniskt ledande metalloxidblandningama preparerades med vanlig ”solid state reaction” metod. Stökiometriska mängder av Li2CO3, NiCO; . 2Ni (OH) 2- 61-120 (Sigma Aldrich, USA) och Zn (l\I03)2-6H2O (Sigma Aldrich, USA) och CuCOg (99.99%, Aldrich) blandades, maldes och sintrades vid 700-800 °C i 3 timmar.
BSCFn (Ba0.2SrCo0.4Fe0.60x) syntetiserades i en samfällningprocess. Följande kemikalier användes for 1.0 M lösningar, Ba (N 03); (Sigma-Aldrich), Sr(NO3)2, Co(N03)s'6H2O (Sigma-Aldrich) och Fe(NO;);' 9H2O. För att uppnå önskade molar ratios blandades alla dessa nitrater för att beredas i 1.0 M lösning. “Metalljonerz karbonatjoner i lämplig molárt förhållande för att göra en fullständig utfällning av Ba, Sr, Co och Fe som karbonater, en avsevärd mängd NazCOg -lösning (1.0 M) adderades sakta (10 ml/min för att slutföra samfállningsprocessen. Efter denna ñltrerades fïillningen och torkad över natten i en ugn vid 50°C. Slutligen sintrades torrmassan (dried solid) vid 800°C l2 timmar.
Beredning av FC-komponenten utan elektrolyt och FC-konstruktioner 535 245 De resulterande ovan beskrivna elektroniskt ledande materialen blandades med ovan beskrivna jonledare i det viktmässiga förhållandet 1:3 och 3:1.
Det resulterande pulvret pressades uniaxially till pellets i ett steg med ett 300MPa tryck till en tablett av en-komponenten vars bägge ytor beströks med silver som strömupptagare. Dess storlek var ofiast 13 mm eller 20 mm i diameter och 0.60-1.0 mm tjockt. De större , 6x6 cm2 en-komponents-FC konstruerades genom varmpressteknik med 600°C värme och 10-20 tons tryck för att forma materialen. Silverbelagda metallnåt användes på båda sidor som strömupptagare.
Bränslecellsmâtningar Cellprestanda testades genom datoriserade instrument (L43, Tianjin, China) vid temperaturer på 400-600°C där vätgasen och luften låg på 80-110 ml min* vid 1 atm tryck på båda sidor för 13 mm cellerna och 1-2 liter min-l för cellema på 6x6 cm2.
Exempel 1: 1 g kommersiell GDC blandades med 1 g Li0.lNi0.5Zn0.4-oxid.
Blandningen pressades med 200 kgs tryck i en 13 mms form för att skapa pellets med 0.6-0.8 mm tjocklek. FC-prestandan visas i Figur 2a.
Exempel 2: I g kommersiell SDC blandades med 1 g Li0.lNi0.5Zn0.4-oxid. Blandningen värmdes ytterligare vid 700°C i 2 timmar pressades med 200 kgs tryck i enl3 mm form för att skapa pellets med 0.6-0.8 mm tjocklek, se Figur 2b.
Exempel 3: 10 g LCP blandades med natriumkarbonat i ett viktförhállande från 20:] till 4:1 följt av att tillsätta 0.5-1.0 g NiCOg . 2Ni (OH)2- 6H2O , Zn (NO;)2-6H2O, CuCOg 0.5-1.0 g Fe(NO3)9H20, och 0.5-1.0 g LiNO3 blandat grundligt. Blandningen värmdes vid 720°C i 2 timmar. Det resulterande materialet pressades sedan med 200 kgs tryck i en 13 mms form för att skapa pellets med 0.6-0.8 mm tjocklek, Figur 2c. 535 245 10 Exempel 4: 10 g SDC-NaC03 nankompositer som jonledare blandades med Li0.1Cu0.4Zn0.5-oxid som tillverkats i ovan nämnda syntetisering. Blandningen sintrades i 700°C i 2 timmar och pressades sedan med 200 kgs tryck i en 13 mms form för att skapa pellets med 0.6-0.8 mm tjocklek, Figur 2d.
Exempel 5: 10 g blandades med 5 g Li0.2Ni0.3Cu0.2Zn0.3-oxid. Blandningen upphettades ytterligare vid 700C i 2 timmar och pressades sedan med 200 kgs tryck i en 13 mms form för att skapa pellets med 0.6-0.8 mm tjocklek, Figur 2e.
Exempel 6: För förbättrad katalysfunktion hos metalloxidkatalyten adderades Fe. l.2g NazCOg-SDC -0.6 g LíNiCuZn-oxid blandades ytterligare med 0.6 g Fe(NO;)9H2O och blandades fullständigt. Blandningen upphettades vid 720°C i 2 timmar. Det resulterande materialet pressades sedan med 200 kgs tryck i en 13 mms form för att skapa pellets med 0.6-0.8 mm tjocklek. FC-prestandan visas i Figur 2, effect of catalyst function by adding Fe elements 3b) compared to non-Fc, 3a).
Example 7: Att konstruera två-komponents FCn utan elektrolyt. En komponent gjordes med hjälp av en Li0.2Ni0.3Cu0.2Zn0.30x -SDC-blandning och en annan med hjälp av en BSCF-SDC-blandning. Pulverblandningama pressades i en tvålagerskonfiguration med 300 kgs tryck i en 20 mm form för att skapa pellets med 0.6-0.8 mm tjocklek. FC- prestandan visas i Figur 4.
Exempel 8: Den bästa en-komponentsFC-prestandan av denna uppfinning förbättrades genom att noggrant anpassa delama mellan de joniska och elektroniska ledningsfönnågoma med hjälp av provexemplaren från exempel 6. Viktförhållandena 1: 1.5 mellan Na2CO3-SDC och LtNiCulnFe-oxiden användes. FC-prestandan som visas i Figur 5. a, b, c och d är vid 480, 500, 520 respektive 540°C. 535 245 ll Exempel 9: En-komponenten gjordes genom att använda den bästa kompositionen i Exempel 8 vilken ytterligare processades med ”slurry casting process” för framställning av membran och följdes av varmpressning vid 550°C och 20 tons tryck. The slutliga I- V/I-P karaktäristika för FCn visas i Figur 6.
Fler exempel är fórtecknade i tabell 2, med indikationer på deras motsvarande ITSOFC- prestanda.
De med kunskaper inom området kommer att uppskatta att de ovan nämnda exemplen enbart ska tjäna som exempel och inte är avsedda att innebära någon begränsning av den nuvarande uppfinningen. 535 245 Tabell 2. Fler exempel på en-komponentsmaterial Jonledande Elektroniskt ledande material FC Temperatur prestanda material (mwcmq) (°C) i) LiNi0.6Cu0.40x 200-600 450 - 600 LCP oxider ii) LiCu0.4Zn0.60x 200-500 450-600 iii) LaM03 (M=Ni, Cu, Co, Mn) 150-400 400-650 Viktförhållandena mellan den elektroniska 300-1000 ledaren och LCPn är 1:1 400-650 Jondopad 200-700 500-700 M,.Ce1-,.O2 iv) LiNi0.6Cu0.40x Dopämne M < 20 mol%* och v) BSCF 120-540 500-700 = ef, SF, Gas* smsi v” ** BCY vi) LiNi0.6Cu0.40x 220-880 450 - 700 240-800 450-700 Not till tabell 2: * mol% betyder molar ratio, wt% är viktfórhållanden Referenser som citeras USA-patent 5298235, Worrell et al, 1994 Electrochemical devices based on single-component solid oxide fuel bodies 535 245 USA-patent, 20090258276, Kenneth Ejike Okoye Emenike Chinedozi Ejiogu Sachio Matsui, 2009 Fuel cell unit, fuel cell unit array, fuel cell module and fuel cell system Andra publikationer 1.
Grove, W. R. On voltaic series and the combination of gases by platinum. Phil. Mag.
Ser. 314, 127-130 (1839).
Steel, B. C. H. & Heinzel, A. Materials for firel-cell technologies. Nature 414, 345- 352 (2001).
James R. W. et al. Three-dimensional reconstruction of a solid-oxide fuel-cell anode.
Nat. Mater. 5, 541-544 (2006).
Sossina, M. et al. Solid acids as fuel cell electrolytes. Nature 410, 910-913 (2001). 5. Jacobson, M.Z. Cleaning the air and improving health with hydrogen fuel-cell 10. ll. 12. 13. vehicles. Science 308, 1901-1905 (2005).
Hibino T. et al. A low-operating-temperature solid oxide fuel cell in hydrocarbon-air mixtures. Science 16, 2031-2033 (2000).
. David, A. A. Optimization of ioníc conductivity in doped ceria. PNAS 103, 3518- 35210006).
Zhu, B. Solid oxide fuel cell (SOFC) technical challenges and solutions. Int. .I.
Energy Res. 33, 1 126-1 137 (2009).
Zhu, B. Nanocomposites for advanced fuel cell technology. J. Nanosci. Nanotech ll, 1-7 (2010).
Perry, E., Tsai, T. & Bamett, S. A. A direct-methane fuel cell with a cería-based anode. Nature 400, 649-651 (1999).
Huang, Y. H., Dass, R. 1., Xing, Z. L. & Goodenough, J. B. Double perovskites as anode materials for solid-oxide fuel cells. Science 312, 254-257 (2006).
Ishihara, T., Matsuda, H. & Takita, Y. Dogg LaGaO; Erovskite type oxide as a new oxide ioníc conductor. J Am. Chem. Sac. 116, 3801-3803 (1994).
Yang, L. et al. Enhanced sulfirr and coking tolerance of a mixed ion conductor for SOFCs: BaZr0,|Ce0_7Y0_2_xYb,.O;_¿. Science 326, 126-129 (2009). 535 245 14 14. Lacorre, P., Goutenoire, F., Bohnke, O., Retoux, R. & Laligant, Y. Designing fast oxide-ion conductors based on LagMozOg. Nature 404, 856-858 (2000). 15. Goodenough, J. B., Ruiz-Diaz, J. E. & Zhen, Y. S. Oxide-ion conductíon in Ba¿In¿O¿ and BaêlngMOg (M=Ce, Hf, or Zr). Solid State Ionics 44, 21-31 (1990). 16. Yoshioka, H. & Tanase, S. Magnesium doped lanthanum silicate with apatite-type structure as an electrolyte for intermediate temperature solid oxide fuel cells. Solid State Ionics 176, 31-34 (2005). 17. Goodenough, J. B. Oxíde-ion conductors by design. Nature 404, 821-822 (2000).

Claims (10)

535 245 l5 PATENTKRAV
1. l. Bränslecell innefattande en porös huvuddel som har en första sida anordnad att vara i kontakt med H2 och en andra sida anordnad att vara i kontakt med luft (02), och organ för uppsamling av ström vid nämnda första och andra sida, varvid huvuddelen innefattar en eller två komponenter för katalysering av dissociation av H2 och 02 och minst ett jonledande material och minst ett elektronledande material.
2. Bränslecell enligt krav 1, varvid komponenten eller komponentema är en komposit av minst ett jonledande material och minst ett elektronledande material.
3. Bränslecell enligt krav 1 eller 2, varvid komponenten eller komponentema är en blandning av minst ett jonledande material och minst ett elektronledande material.
4. Bränslecell enligt något av föregående krav, varvid minst ett jonledande material är ett proton- eller syrejonledande material.
5. Bränslecell enligt krav 4, varvid nämnda minst ett jonledande material är valt från - dopade Ba(Ce,Zr)O;-keramer, - jondopad ceriumoxid, såsom SDC (samariumdopad ceriumoxid) GDC, (gadoliniumdopad ceriumoxid) yttriurndopad ceriumoxid, kalciumdopad ceriumoxid, Sm-Pr or Gd-Pr-dopad ceriumoxid, - blandade oxider av sällsynta jordartsmetaller, såsom LCP, -YSZ (yttrium stabiliserad zírkoniumoxid), ScSZ (skandiumoxid-stabiliserad zírkoniumoxid), - LaGaMg03, 535 245 16
6. Bränslecell enligt något av föregående krav, varvid minst ett elektronledande material är en metalloxid, såsom oxider av Li, Na, K, Cu, Ni, Zn, Mg, Ag, Fe, Sn, Al, Co, Mn, Mo, Cr, ln, Ca, Ba, Sr och deras komplexa oxider.
7. Bränslecell enligt krav 6, varvid nämnda minst ett elektronledande material vidare innefattar Fe.
8. Bränslecell enligt något av föregående krav, varvid vikttörhållandet mellan nämnda minst ett elektronledande material och nämnda minst ett jonledande material är mellan 1:3 och 3:1.
9. Bränslecell enligt krav l, varvid nämnda minst ett elektronledande material och nämnda minst ett jonledande material är ett och samma material.
10. Bränslecell enligt krav 9, varvid materialet är -proveskitoxider av Ba0_5Sr0_5-Co0_;Fe0_2O32d (BSCF), (Ba/Sr/Ca/IÅXL6MxNb1-xO3-å i vilka M är valda från Mg, Ni, Mn, Cr, Fe, In och Sn, eller -dopad LaMOg i vilken M =(N i, Cu, Co, Mn), såsom LaNiogFeoßsCuußO; .
SE1000813A 2010-08-02 2010-08-02 Bränsleceller utan ektrolyter SE535245C2 (sv)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE1000813A SE535245C2 (sv) 2010-08-02 2010-08-02 Bränsleceller utan ektrolyter
CN2011800425612A CN103081197A (zh) 2010-08-02 2011-07-21 燃料电池
PCT/SE2011/050959 WO2012018297A1 (en) 2010-08-02 2011-07-21 Fuel cell
EP11814871.7A EP2601703A1 (en) 2010-08-02 2011-07-21 Fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE1000813A SE535245C2 (sv) 2010-08-02 2010-08-02 Bränsleceller utan ektrolyter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SE1000813A1 SE1000813A1 (sv) 2012-02-03
SE535245C2 true SE535245C2 (sv) 2012-06-05

Family

ID=45559684

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE1000813A SE535245C2 (sv) 2010-08-02 2010-08-02 Bränsleceller utan ektrolyter

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP2601703A1 (sv)
CN (1) CN103081197A (sv)
SE (1) SE535245C2 (sv)
WO (1) WO2012018297A1 (sv)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014126716A1 (en) * 2013-02-13 2014-08-21 Phillips 66 Company Electrolyte formation for a solid oxide fuel cell device
WO2015054024A1 (en) 2013-10-08 2015-04-16 Phillips 66 Company Gas phase modification of solid oxide fuel cells
WO2015054096A1 (en) 2013-10-08 2015-04-16 Phillips 66 Company Formation of solid oxide fuel cells by spraying
WO2015054065A1 (en) 2013-10-08 2015-04-16 Phillips 66 Company Liquid phase modification of electrodes of solid oxide fuel cells
CN104103842B (zh) * 2014-07-02 2017-01-04 湖北大学 一种具有肖特基结型的无电解质隔膜单部件燃料电池
CN105514458A (zh) * 2016-01-27 2016-04-20 广州道动新能源有限公司 一种燃料生伏特电池
CN105576252B (zh) * 2016-03-21 2018-02-27 吉林大学 基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池及其制备方法
CN107994234B (zh) * 2017-11-06 2020-05-22 深圳大学 陶瓷燃料电池及其制备方法
CN109244501B (zh) * 2018-09-25 2021-03-26 德州新动能铁塔发电有限公司 一种燃料电池双极板复合材料及其制备方法与用途
CN109686986B (zh) * 2018-11-02 2020-12-08 全球能源互联网研究院有限公司 一种单向电子导通固体氧化物燃料电池及其制备方法
CN111554956B (zh) * 2020-04-02 2021-11-23 湖北大学 一种lst-sdc-ncal复合材料和应用、单层燃料电池及其制备方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5298235A (en) * 1991-12-16 1994-03-29 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Electrochemical devices based on single-component solid oxide bodies
US5725965A (en) * 1995-04-25 1998-03-10 Gas Research Institute Stable high conductivity functionally gradient compositionally layered solid state electrolytes and membranes
WO2004025268A2 (en) * 2002-09-13 2004-03-25 Carnegie Mellon University Optical biosensors and methods of use thereof
GB2411043B (en) * 2004-02-10 2007-09-19 Ceres Power Ltd A method and apparatus for operating an intermediate-temperature solid-oxide fuel cell stack
US20120171587A1 (en) * 2004-10-05 2012-07-05 Ctp Hydrogen Corporation Conducting ceramics for electrochemical systems
JP2008520426A (ja) * 2004-11-23 2008-06-19 トラスティーズ オブ ボストン ユニバーシティ 水素分離のためのイオンおよび電子伝導性の酸化物混合複合体
CN101295791B (zh) * 2007-04-24 2011-01-26 中国科学院大连化学物理研究所 一种中、低温固体氧化物燃料电池三元复合阴极材料

Also Published As

Publication number Publication date
CN103081197A (zh) 2013-05-01
EP2601703A1 (en) 2013-06-12
SE1000813A1 (sv) 2012-02-03
WO2012018297A1 (en) 2012-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Progress in proton‐conducting oxides as electrolytes for low‐temperature solid oxide fuel cells: From materials to devices
SE535245C2 (sv) Bränsleceller utan ektrolyter
Liu et al. Superionic conductivity of Sm3+, Pr3+, and Nd3+ triple-doped ceria through bulk and surface two-step doping approach
Yang et al. In situ fabrication of CoFe alloy nanoparticles structured (Pr0. 4Sr0. 6) 3 (Fe0. 85Nb0. 15) 2O7 ceramic anode for direct hydrocarbon solid oxide fuel cells
Fan et al. Role of carbonate phase in ceria–carbonate composite for low temperature solid oxide fuel cells: a review
Zhao et al. Ln 2 MO 4 cathode materials for solid oxide fuel cells
Kan et al. Challenges and prospects of anodes for solid oxide fuel cells (SOFCs)
Wang et al. Enhanced ORR activity of A-site deficiency engineered BaCo0· 4Fe0· 4Zr0· 1Y0· 1O3-δ cathode in practical YSZ fuel cells
Flores et al. Advances in the development of titanates for anodes in SOFC
He et al. In situ formation of Er0. 4Bi1. 6O3 protective layer at cobaltite cathode/Y2O3–ZrO2 electrolyte interface under solid oxide fuel cell operation conditions
Shijie et al. A novel high-entropy cathode with the A2BO4-type structure for solid oxide fuel cells
Jing et al. Structure, synthesis, properties and solid oxide electrolysis cells application of Ba (Ce, Zr) O3 based proton conducting materials
Du et al. A SmBaCo 2 O 5+ δ double perovskite with epitaxially grown Sm 0.2 Ce 0.8 O 2− δ nanoparticles as a promising cathode for solid oxide fuel cells
Hu et al. Visiting the roles of Sr‐or Ca‐doping on the oxygen reduction reaction activity and stability of a perovskite cathode for proton conducting solid oxide fuel cells
Ding et al. Enhanced SOFC cathode performance by infiltrating Ba0. 5Sr0. 5Co0. 8Fe0. 2O3− δ nanoparticles for intermediate temperature solid oxide fuel cells
JP2009037874A (ja) 中温作動固体酸化物形燃料電池の空気極支持形単セルの製造方法
Zeng et al. Enhancing the oxygen reduction reaction activity and durability of a solid oxide fuel cell cathode by surface modification of a hybrid coating
KR101186766B1 (ko) 고체산화물연료전지용 이소결성 지르코니아 전해질
Fan* Solid‐State Electrolytes for SOFC
Niemczyk et al. Development of novel air electrode materials for the SOFC and SOEC technologies
Zhang et al. An intermediate temperature fuel cell based on composite electrolyte of carbonate and doped barium cerate with SrFe0. 7Mn0. 2Mo0. 1O3− δ cathode
Antonova Proton-conducting oxides based on LaScO 3: structure, properties and electrochemical applications. A focus review
CN101222059A (zh) 一种用于固体氧化物燃料电池的b位缺位钙钛矿阳极材料
JP4191821B2 (ja) 固体電解質用ランタンガレート系焼結体およびその製造方法、ならびにそれを固体電解質として用いた燃料電池
KR20100108955A (ko) 고체산화물 연료전지용 공기극 물질 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
NUG Patent has lapsed