以低浓度甲烷为燃料的固体氧化物燃料电池的制备及性能

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0079

摘要/Abstract

摘要：

固体氧化物燃料电池可实现低浓度甲烷的高效转化，具有安全、环保等多重价值。本文在利用溶胶凝胶法合成阳极材料La_0.3Sr_0.7Fe_0.7Ti_0.3O₃（LSFT）、乙二胺四乙酸钙钠（EDTA-CA）联合络合法合成电解质材料Sm_0.2Ce_0.8O_1.9（SDC）和阴极材料La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃（LSCF）的基础上，制备了电解质支撑型固体氧化物燃料电池LSFT/SDC/LSCF，并以低浓度甲烷为燃料，在650~800 ℃测试了电池的电化学性能。结果表明：合成的LSFT和LSCF为较纯净的立方钙钛矿结构，且孔隙发育，SDC为结构致密的立方萤石结构；制备的电池LSFT/SDC/LSCF可实现电-氢联产，燃料气中甲烷浓度越高，电池的电化学性能越好，而且电池性能受温度的影响较为显著。以体积分数为30%的低浓度甲烷为燃料气，800 ℃时电池极化阻抗为0.15 Ω·cm²，甲烷转化率为30.4%，氢气选择性为45.8%。研究结果可为基于固体氧化物燃料电池的低浓度甲烷，尤其是低浓度煤矿瓦斯利用的深入研究提供参考。

关键词: 固体氧化物燃料电池, 低浓度甲烷, 电解质支撑, LSFT, SDC, LSCF

Abstract:

Solid oxide fuel cells can achieve clean and efficient conversion of low-concentration methane， and they also possess multiple values such as safety， resource utilization， and environmental protection. Based on the synthesis of anode material La_0.3Sr_0.7Fe_0.7Ti_0.3O₃ （LSFT） by sol-gel method， electrolyte material Sm_0.2Ce_0.8O_1.9（SDC） and cathode material La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃（LSCF） by the combined calcium disodium edetate （EDTA-CA） complexation method， an electrolyte supported solid oxide fuel cell LSFT/SDC/LSCF was prepared. The electrochemical performance of the cell was tested using low-concentration methane as the fuel within the temperature range of 650 ℃ to 800 ℃. The results show that the synthesized LSFT and LSCF have a relatively pure cubic perovskite structure with developed pores， while SDC has a dense cubic fluorite structure. The prepared cell LSFT/SDC/LSCF can achieve the integration of electricity and hydrogen production. The higher the concentration of methane in the fuel gas is， the better the electrochemical performance of the cell is. Moreover， the performance of the cell is significantly affected by temperature. When using a low-concentration methane （with a volume concentration of 30%） as the fuel gas， the polarization impedance of the cell at 800 ℃ is 0.15 Ω·cm²， the methane conversion is 30.4%， and the hydrogen selectivity is 45.8%. The research results can provide a reference for in-depth studies on low-concentration methane， especially the utilization of low-concentration coal mine gas based on solid oxide fuel cells.

Key words: solid oxide fuel cell, low-concentration methane, electrolyte support, LSFT, SDC, LSCF

中图分类号:

TM205.1

朱丽华, 田倩文, 程思懿, 徐锋, 李佳哲, 陈希叶. 以低浓度甲烷为燃料的固体氧化物燃料电池的制备及性能[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(7): 2510-2519.

ZHU Lihua, TIAN Qianwen, CHENG Siyi, XU Feng, LI Jiazhe, CHEN Xiye. Preparation and Performance of Solid Oxide Fuel Cells Using Low-Concentration Methane as Fuel[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(7): 2510-2519.

图/表 10

图1 LSFT、SDC 和LSCF粉体的XRD谱

Fig.1 XRD patterns of LSFT， SDC and LSCF powders

图2 LSFT、SDC和LSCF粉体的XPS谱

Fig.2 XPS spectra of LSFT， SDC and LSCF powders

图3 LSFT、SDC 和LSCF粉体的SEM照片

Fig.3 SEM images of LSFT， SDC and LSCF powders

图4 电池断面微观形貌

Fig.4 Microscopic morphology of cell cross-section

图5 以不同浓度甲烷为燃料的电池极化曲线

Fig.5 Polarization curves of cell with different concentrations methane as fuel

图6 以不同浓度甲烷为燃料的电池电化学阻抗谱

Fig.6 Electrochemical impedance spectra of cell with different concentrations methane as fuel

表1 电池的极化阻抗

Table 1 Polarization impedance of cell

Methane concentration/%	Polarization impedance at different temperatures/（Ω·cm²）
Methane concentration/%	650 ℃	700 ℃	750 ℃	800 ℃
22	3.12	1.87	0.79	0.56
26	2.25	1.12	0.57	0.16
30	1.50	0.67	0.29	0.15

图7 不同条件下的甲烷转化率

Fig.7 Methane conversion under different conditions

图8 不同条件下的氢气选择性

Fig.8 Hydrogen selectivity under different conditions

图9 不同条件下的氢气产率

Fig.9 Hydrogen yield under different conditions

参考文献 32

[1]	鲍羿夫，李明举，熊星宇，等. 固体氧化物电堆温度-应力测量技术研究进展［J］. 仪器仪表学报， 2025， 46（12）： 113-133.
	BAO Y F， LI M J， XIONG X Y， et al. Advance in temperature-stress measurement techniques for solid oxide cells［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument， 2025， 46（12）： 113-133 （in Chinese）.
[2]	张　伟，魏嘉璐， ALONSO J A，等. 碳基固体氧化物燃料电池研究进展［J］. 洁净煤技术， 2024， 30（1）： 239-264.
	ZHANG W， WEI J L， ALONSO J A， et al. Recent advances in hydrocarbon-fueled solid oxide fuel cells［J］. Clean Coal Technology， 2024， 30（1）： 239-264 （in Chinese）.
[3]	LU H B， HUA D， IQABL T， et al. Molecular dynamics simulations of the coke formation progress on the nickel-based anode of solid oxide fuel cells［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2018， 91： 40-47. DOI URL
[4]	简俊辉，林泽宇，郑家辉，等. 管式ScSZ电解质支撑固体氧化物燃料电池的电化学性能研究及其串联验证［J］. 储能科学与技术， 2026， 15（2）： 398-406.
	JIAN J H， LIN Z Y， ZHENG J H， et al. Electrochemical performance study and series verification of solid oxide fuel cells supported by ScSZ electrolyte tube［J］. Energy Storage Science and Technology， 2026， 15（2）： 398-406 （in Chinese）.
[5]	隋　静，刘　江. 锥管状电解质支撑的固体氧化物燃料电池的制备及其性能［J］. 硅酸盐学报， 2006， 34（12）： 1461-1465.
	SUI J， LIU J. Fabrication and performance of a cone-shaped electrolyte-supported solid oxide fuel cell［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2006， 34（12）： 1461-1465 （in Chinese）.
[6]	郭存心，王蔚国，何长荣，等. 高强度钪铝共掺杂氧化锆电解质材料制备与性能［J］. 硅酸盐学报， 2015， 43（1）： 1-7.
	GUO C X， WANG W G， HE C R， et al. Preparation and performance of scandia and alumina Co-doped zirconia electrolyte materials with high strength［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2015， 43（1）： 1-7 （in Chinese）.
[7]	王亚丽，李晓艳，孙航宇，等. 固体氧化物燃料电池支撑体研究进展［J］. 储能科学与技术， 2025， 14（7）： 2590-2601. DOI
	WANG Y L， LI X Y， SUN H Y， et al. Research progress of supports for solid oxide fuel cells［J］. Energy Storage Science and Technology， 2025， 14（7）： 2590-2601 （in Chinese）. DOI
[8]	韩敏芳，彭苏萍. 碳基燃料固体氧化物燃料电池发展前景［J］. 中国工程科学， 2013， 15（2）： 4-6+26.
	HAN M F， PENG S P. Prospect of carbon-based solid oxide fuel cells［J］. Engineering Sciences， 2013， 15（2）： 4-6+26 （in Chinese）.
[9]	王鑫鑫. 基于固体氧化物燃料电池的煤矿低浓度瓦斯高效清洁利用研究［D］. 徐州：中国矿业大学， 2020.
	WANG X X. Study on the efficient and clean utilization of low concentration coal mine methane by solid oxide fuel cell［D］. Xuzhou： China University of Mining and Technology， 2020 （in Chinese）.
[10]	董　浩，曹志群，李　娜，等. 高性能LSFT-GDC复合电极的制备和性能研究［J］. 硅酸盐通报， 2025， 44（10）： 3873-3879.
	DONG H， CAO Z Q， LI N， et al. Preparation and performance of high-performance LSFT-GDC composite electrode［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2025， 44（10）： 3873-3879 （in Chinese）. DOI
[11]	薛纪溥，高文元. 溶胶凝胶法合成La_0.7Sr_0.3Fe_0.8Co_0.2O₃影响因素的研究［J］. 中国陶瓷工业， 2014， 21（3）： 14-17.
	XUE J P， GAO W Y. Factors influencing the synthesis of La_0.7Sr_0.3Fe_0.8Co_0.2O₃ by sol-gel method［J］. China Ceramic Industry， 2014， 21（3）： 14-17 （in Chinese）.
[12]	燕　萍，胡筱敏，孙旭东. 自蔓延低温燃烧-溶胶凝胶合成Ce_0.8Sm_0.2O 1.9及烧结性能［J］. 化工学报， 2011， 62（1）： 262-268.
	YAN P， HU X M， SUN X D. Preparation and sinterability of Ce_0.8Sm_0.2O_1.9 powders by sol-gel and low temperature self-propagating synthesis［J］. CIESC Journal， 2011， 62（1）： 262-268 （in Chinese）.
[13]	王　红，徐　庆，黄端平，等. Ce_0.8Sm_0.2O_1.9的尿素燃烧法合成与性能［J］. 高等学校化学学报， 2009， 30（10）： 1925-1929.
	WANG H， XU Q， HUANG D P， et al. Urea-combustion synthesis and properties of Ce_0.8Sm_0.2O_1.9 ［J］. Chemical Journal of Chinese Universities， 2009， 30（10）： 1925-1929 （in Chinese）.
[14]	ZHANG L L， LIU M， HUANG J H， et al. Improved thermal expansion and electrochemical performances of Ba_0.6Sr_0.4Co_0.9Nb_0.1O_3-δ-Gd_0.1Ce_0.9O_1.95 composite cathodes for IT⁃SOFCs［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2014， 39（15）： 7972⁃7979. DOI URL
[15]	邹　健，谭显东，陈　楠，等. 锆镧双金属负载树脂基纳米复合材料的制备及其除氟性能与机理研究［J］. 给水排水， 2025， 51（8）： 88-94.
	ZOU J， TAN X D， CHEN N， et al. Preparation of zirconium-lanthanum bimetallic resin-based nanocomposite for deep defluorination： performance optimization and adsorption mechanism［J］. Water & Wastewater Engineering， 2025， 51（8）： 88-94 （in Chinese）.
[16]	王金淑，周美玲，张久兴，等. 碳化La₂O₃-Mo阴极材料的高温XPS研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2000， 29（4）： 225-227.
	WANG J S， ZHOU M L， ZHANG J X， et al. High temperature XPS study of carburized La₂O₃-Mo cathode material［J］. Rare Metal Materials and Engineering， 2000， 29（4）： 225-227 （in Chinese）.
[17]	龚茂初，文　梅，高士杰，等. 耐高温高表面积氧化铝的制备及性质Ⅱ.La的添加对硫酸铝铵法制高表面Al₂O₃的影响［J］. 催化学报， 2000， 43（5）： 404-406.
	GONG M C， WEN M， GAO S J， et al. Preparation chemistry of alumina with large surface area and high temperature stability Ⅱ. effect of La on Al₂O₃ prepared by decomposition of aluminium ammonium sulfate［J］. Chinese Journal of Catalysis， 2000， 43（5）： 404-406 （in Chinese）.
[18]	KOMAI S， HIRANO M， OHTSU N. Spectral analysis of Sr3d XPS spectrum in Sr-containing hydroxyapatite［J］. Surface and Interface Analysis， 2020， 52（12）： 823-828. DOI URL
[19]	李跃军，曹铁平，孙大伟. 氧空位调控S型SrTiO₃/ZrO₂异质结界面电荷分离增强光催化CO₂产甲烷［J］. 分子催化（中英文）， 2025， 39（5）： 415-426.
	LI Y J， CAO T P， SUN D W. Oxygen vacancy-regulated enhanced charge separation at SrTiO₃/ZrO₂ heterojunction interface for CO₂ reduction to methane［J］. Journal of Molecular Catalysis （China）， 2025， 39（5）： 415-426 （in Chinese）.
[20]	LI D， JIN Y M， LIU C J， et al. Effect of optimal GDC loading on long-term stability of La_0.8Sr_0.2Co_0.2Fe_0.8O_3- _δ /Gd_0.2Ce_0.8O_1.9 composite cathodes［J］. Ceramics International， 2021， 47（5）： 6591-6596. DOI URL
[21]	ZHANG W W， WANG H C， GUAN K， et al. La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3- _δ /CeO₂ heterostructured composite nanofibers as a highly active and robust cathode catalyst for solid oxide fuel cells［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2019， 11（30）： 26830-26841.
[22]	陈冬梅，徐　序，罗凌虹，等. 高温还原La_1- _x Sr _x Cr_0.5Mn_0.5O₃钙钛矿的晶体结构研究［J］. 硅酸盐学报， 2024， 52（6）： 1832-1840.
	CHEN D M， XU X， LUO L H， et al. Crystal structure of La_1- _x Sr _x Cr_0.5Mn_0.5O₃ perovskites reduced at high-temperature［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2024， 52（6）： 1832-1840 （in Chinese）.
[23]	GUO J P， ZHANG L， XIAN A， et al. Solderability of electrodeposited Fe-Ni alloys with eutectic SnAgCu solder［J］. Journal of Materials Science & Technology， 2007， 81（6）： 811-816.
[24]	LI N， HUANG G W， SHEN X J， et al. Controllable fabrication and magnetic-field assisted alignment of Fe₃O₄-coated Ag nanowires via a facile co-precipitation method［J］. Journal of Materials Chemistry C， 2013， 1（32）： 4879-4884. DOI URL
[25]	茆志贤，陈　珊，吉加鹏，等. 具有可控晶面的Co₃O₄催化剂用于高性能电化学析氯反应［J］. 科学通报， 2024， 69（25）： 3748-3756.
	MAO Z X， CHEN S， JI J P， et al. Tailoring crystal planes in Co₃O₄ for enhanced chlorine evolution reaction electrocatalysis［J］. Chinese Science Bulletin， 2024， 69（25）： 3748-3756 （in Chinese）.
[26]	ZHANG S Y， ZHANG B L， WU B Y， et al. Effect of samarium on the N₂ selectivity of Sm _x Mn_0.3- _x Ti catalysts during selective catalytic reduction of NO _x with NH₃ ［J］. International Journal of Minerals， Metallurgy and Materials， 2023， 30（4）： 642-652.
[27]	张生杨，邬博宇，洪晨城，等. Sm-Mn/Ti蜂窝式低温脱硝催化剂性能研究［J］. 工程科学学报， 2025， 47（12）： 2444-2455.
	ZHANG S Y， WU B Y， HONG C C， et al. Study of performance on Sm-Mn/Ti honeycomb SCR catalyst at low temperature［J］. Chinese Journal of Engineering， 2025， 47（12）： 2444-2455 （in Chinese）.
[28]	LI X， ZHAO H L， XU N S， et al. Electrical conduction behavior of La， Co co-doped SrTiO₃ perovskite as anode material for solid oxide fuel cells［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2009， 34（15）： 6407-6414. DOI URL
[29]	ZHANG G J， SUN Y H， ZHAO P Y， et al. Characteristics of activated carbon modified with alkaline KMnO₄ and its performance in catalytic reforming of greenhouse gases CO₂/CH₄ ［J］. Journal of CO₂ Utilization， 2017， 20： 129-140.
[30]	TAO J J， WANG H H. Energy uptake by wood during the ignition under external radiant heat flux［J］. Applied Thermal Engineering， 2017， 124： 294-301. DOI URL
[31]	ZUO C， ZHA S， LIU M， et al. Ba（Zr_0.1Ce_0.7Y_0.2）O_3- _δ as an electrolyte for low-temperature solid-oxide fuel cells［J］. Advanced Materials， 2006， 18（24）： 3318-3320. DOI URL
[32]	DALSLET B， BLENNOW P， HENDRIKSEN P V， et al. Assessment of doped ceria as electrolyte［J］. Journal of Solid State Electrochemistry， 2006， 10（8）： 547-561. DOI URL