固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展课件

1、中温固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展 学生：刘斌 导师：程谟杰 研究员2006.04.02中温固体氧化物燃料电池的主要特点工作温度高在600-800C。电极催化剂不依赖 贵金属。 可使用廉价的连接材料，且材料和材料之间的稳定性更好。发电效率高(60-70%)。可热电联供，与蒸汽、 燃气轮机等构成联合循环发电系统，进一步提高发电效率。 燃料适用性广。可使用CO、H2、天然气、城市 煤气、液化气、生物质气化气为燃料。 NOx和SOx排放极低，CO2排放减半.固体氧化物燃料电池的应用领域家庭电站固定电站便携式全天候电源车载辅助电源固体氧化物燃料电池的基本原理O2-O2-Combustible F

2、uele-PorouscathodePorousanodeSolidelectrolytecollectorcollectore-CO2 +H2OO2中温电池（600C-800C）主要的阴极材料La1-x Srx MnO3- (LSM)La1-x Srx CoO3- (LSC)La1-x Srx FeO3 - (LSF)La1-x Srx Co1-y Fey O3 - (LSCF)Ba1-x Srx Co1-y Fey O3 - (BSCF)ABO3钙钛矿结构几种阴极材料在800 C的电导率、热膨胀系数及高温下与电解质的相容性LaSrGaMg阴极材料化学相容性电子导电率 (S/cm)离子导电率

3、 (S/cm)热膨胀系数ZrO2基CeO2基La0.6 Sr0.4 CoO3-La0.6 Sr0.4 Mn0.8 Co0.2 O3 -La0.6 Sr0.4 FeO3 -La0.8 Sr0.2 MnO3-La0.6 Sr0.4 Co0.2 Fe0.8 O3 -180158412830279.41.710-40.225.610-3810-33.110-511.220.516.314.89.5轻微反应剧烈反应无反应剧烈反应轻微反应无反应无反应无反应无反应无反应无反应无反应无反应无反应无反应Solid State Ionics, 138 (2000),79-90 and J.Electrochem.

4、Soc,150(11)(2003)A1518-1522加入YSZ可增加阴极的离子电导，扩大三相界面，显著改善电池性能 。LSM基阴极的研究进展（1）Science and Technology of Ceramic Fuel cells. California, USA,1995 and Solid State Ionics 93 (1997) 207-217 and and Journal of power sources,124 (2003)390-402LSM与YSZ的反应性Sr含量小于0.35，生成La2Zr2O7Sr含量大于0.35，生成SrZrO3考虑电导率等综合因素，阴极中Sr含

5、量在0.2-0.5,阴极烧结温度在1250C以下La0.8Sr0.2MnO3-YSZ(La0.8Sr0.2)0.9MnO3-YSZEffect of A site depletion on the cell performance A位缺失大大提高电池性能。在空气和氧气中电池性能差别近一倍。LSM基阴极的研究进展（2）Solid State Ionics 93 (1997) 207-217Solid State Ionics ,176 (2005)2555-2561LSM基阴极的研究进展（3）LSM-5Ce10ScZr大大提高了LSM基阴极的电化学性能，在650C,优化阴极后的电池性能接近0.

6、6/cm2.Solid state Ionics 138 (2000) 143-152 and Solid state Ionics 176 (2005) 655-661LSC阴极的研究进展（1）1150-1200C烧结的阴极具有最小的界面电阻。1.2W/cm2LSC阴极的研究进展（2）Solid state Ionics 138 (2000) 143-152阴极工作700小时后，性能没有显著下降。然而欧姆阻抗降低，极化阻抗增加，这是由Co 扩散生成LaSrGaMgCo 引起的。Co扩散对薄膜电池的性能有重大影响LSF阴极的研究进展（1）x1,B位缺失降低烧结活性x1,纯钙钛矿相x1,有SrL

7、aFeO4 杂相Journal of power sources,113 (2003)1-10LSF阴极的研究进展（2）500小时电池性能并不下降Journal of power sources,113 (2003)1-10在1250 C以上烧结的阴极电池性能显著下降。L80SCFL58SCFGDCYSZGDCYSZLSCF阴极的研究进展（1）Formation of Sr-rich phase in the electrolyte: EDX linear scans for Stronium, Cerium and Zirconium taken along the black lines

8、of SOFCs with YSZ electrolyte, GDC interlayer and (a) L80SCF (b) L58SCF cathode.GDC夹层可以在一定程度上阻止LSCF与YSZ的反应。对高Sr含量的L58SCF阴极，在YSZ界面上仍有高阻抗相SrZrO3生成。Solid State Ionics ,176 (2005)1341-1350新型BSCF阴极 (1)nature,431(2004)170-1731.BSCF阴极在500C电导率最大,且不超过180S/cm. 2. BSCF以SDC为电解质，600C最大功率为1w/cm2. 新型BSCF阴极（2）BSCF与

9、YSZ反应生成高阻抗相Journal of power sources, （2006）in pressGDC夹层的引入抑制了YSZ与BSCF的反应，大大提高了电池的性能结论1.LSM基阴极与YSZ具有良好的化学相容性，其阴极的稳定性已被近30年的研究所证实。但其氧还原活性较低，在空气和氧气气氛中差别很大。LSC阴极的Co扩散有待研究。LSCF和LSF可能在中温电池中有很大的应用前景。2.阴极组成计量比的稍微变化会严重影响电池的输出性能。要保证电池的可重复性，必须严格控制阴极的计量比。3.开发新阴极材料，不仅要考虑阴极本身的电导率和氧还原活性，还要考虑与其他相关材料的高温化学及热的相容性。1.M

10、.DoKiya, Solid state Ionics 152-153 (2002) 383-3922.H.Ullmann et al, Solid state Ionics 138 (2000) 79-903.J.M.Ralph et al, J.Electrochem.Soc,150(11) (2003) A1518-15224.S.J.Skinner, International Journal of Inorganic Materials3 (2001)113-121 5.S.P.Jiang Solid state Ionics 146 (2002) 1-226. S.B.Adler,

11、Chem.Rev.104 (2004) 4791-48437. N.Q.Minh, T.Takahashi, Science and Technology of Ceramic Fuel cells. California, USA,19958. S. D.souza et al,Solid state Ionics 98 (1997) 57-619.T.Tsai, S.A.Barnett, Solid state Ionics 93 (1997) 207-21710.S.P.Jiang, Journal of power sources,124 (2003)390-40211. Z.W.Wa

12、ng, et al Solid State Ionics ,176 (2005)2555-256112. T.Horita, et al, Solid state Ionics 138 (2000) 143-15213. Z.H.Bi et al Solid state Ionics 176 (2005) 655-661参考文献14. Z.H.Bi et al Electrochem. Solid state lett. 5(7) (2002) A17315.S.P.Simner et al, Solid State Ionics ,161 (2003)11-1816. S.P.Simner et al,Journal of power sources,113 (2003)1-1017.A.Mai et al, Solid state Ionics,176 (2005)1341-135018.F.Tietz et al, Journal