报告题目

全反应磁控溅射SOFC制备及质子导体SOEC电解性能研究

主办单位

材料科学与工程学院

报告人、国籍

潘泽华（中国）

联系人

陈孔发

联系电话

17850859691

报告人、

报告内容

简介

报告人简介

潘泽华，哈尔滨工业大学（深圳）理学院副教授，博士生导师。2013年本科毕业于天津大学热能与动力工程专业，2018年博士毕业于新加坡南洋理工大学机械工程学院，师从新加坡工程院院士CHAN Siew Hwa教授，获评南洋理工大学优秀博士毕业论文，随后先后在南洋理工大学和美国科罗拉多矿业大学开展博士后研究。主要围绕固体氧化物电池在垃圾发电、CO₂高值化等应用中的质子导体材料、磁控溅射工艺、热质协同优化等开展实验和仿真研究，以第一作者/通讯作者身份在Appl Catal B-Environ、Nano Lett、Energy Reviews、《硅酸盐学报》等权威期刊发表论文三十余篇，其中1篇入选ESI高被引论文，1篇封面文章，1篇获评广东省电力科学技术奖论文奖一等奖，主持/参与国家省市各级项目6项，主持企业委托技术开发项目4项。

内容简介

固体氧化物燃料电池（SOFCs）具有高能量转化效率、环境友好等特征，是全球能源环境问题的重要解决方案。SOFCs的关键组件以氧化物薄膜为主，本工作采用金属靶材在氩气与氧气的混合气氛下通过反应性磁控溅射制备了不同种类的氧化物薄膜并将其成功应用于SOFCs，为SOFCs关键组件的制备提供了新策略，可实现全溅射电池的制备。采用GdCe合金靶材在流延制备的NiO-YSZ|YSZ基体上制备了致密GDC隔离层，展示了良好的性能和稳定性；采用YZr及GdCe合金靶材在大面积商业化NiO-YSZ阳极基体上成功制备了GDC|YSZ|GDC多层复合电解质薄膜，以单相LSCF为阴极时，单电池在800 ℃、750 ℃、700 ℃和650 ℃下的峰值功率密度分别达到了1.80 W·cm-2、1.24 W·cm-2、0.75 W·cm-2和0.42 W·cm-2。在650 ℃，0.8V恒压放电300 h后，性能未出现衰减；通过Ni靶与GdCe合金靶材进行共溅射并进行退火处理后，获得了纳米Ni颗粒弥散在GDC基体中的NiO-GDC阳极功能层，施加功能层后，在800 ℃、750 ℃、700 ℃和650 ℃下的峰值功率密度分别达到了2.51 W·cm-2、2.07 W·cm-2、1.41 W·cm-2和0.77 W·cm-2，0.8 V恒压放电200 h后性能未见衰减；使用MnCo合金靶材在商业Ni-YSZ|YSZ基体上制备了锰钴尖晶石阴极，800 ℃下的极化电阻为0.68 Ω cm²，峰值功率密度为1.08 W·cm-2。

利用固体氧化物电解池（SOEC）电解技术将H2O（和CO2）转化为可用燃料，如H2（或CO，CH4）是一种很有前景的、具有成本效益的过剩可再生能源电力储存方法（图1）。在本报告中，我们展示了利用大面积质子导体固体氧化物电解池（PCEC，有效面积=5 cm2）所构成的单电解池电堆（由一片PCEC和两个短板构成）进行电解H2O和共电解CO2-H2O并直接原位制取CH4的性能表现。在电解H2O模式下，在450 ℃、电解电流为–1 A cm-2的情况下，此电解池的电压约为1.75 V，产氢流量约为2.5 mL min–1 cm–2，对应的法拉第效率约为36%。在共电解CO2-H2O模式下，在450 ℃、电解电流为–1 A cm–2的情况下，所施加电压约为1.65 V，CH4产率（CH4产量/CO2输入量）达到34.6%，产CH4流量约为0.13 mL min–1 cm–2，对应的法拉第效率约为30%。此外，在高温、低氢碳比运行条件下，与CO2-H2热化学转化相比，CO2-H2O电化学共转化的CH4产率比CO2-H2热化学的更高，表明可能有电化学促进催化现象的存在。若在燃料电极同时通入H2，CH4产率可提升至70%以上。最后，技术经济分析揭示了可以降低CH4生产的平准化成本的运行条件。从系统级的角度来看，本项研究所使用的单电解池电堆的良好性能展示了PCEC在实际应用中的可能性。