固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展.ppt

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,中温固体氧化物燃料电池对阴极材料的基本要求,有较高的氧还原活性；有较高的电导率；与电解质和连接体材料具有良好的化学相容性，并且热膨胀系数要相互匹配；在氧还原气氛和有工作负载的情况下要有一定的稳定性。,中温电池（600C-800C）主要的阴极材料,La1-xSrxMnO3-LSMLa1-xSrxCoO3-LSCLa1-xSrxFeO3-LSFLa1-xSrxCo1-yFeyO3-LSCFBa1-xSrxCo1-yFeyO3-BSCF,ABO3钙钛矿结构,,几种阴极材料在800C的电导率、热膨胀系数及高温下与电解质的相容性,LaSrGaMg,SolidStateIonics,1382000,79-90andJ.Electrochem.Soc,150112003A1518-1522,Electricalconductor,Mixedconductor,Compositeofelectricalandionicconductor,Chem.Rev,10420044791-4843,不同阴极的电化学反应位,LSM,LSCLSFLSCF,LSM-YSZ,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）,,ScienceandTechnologyofCeramicFuelcells.California,USA,1995andSolidStateIonics931997207-217andandJournalofpowersources,1242003390-402,LSM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含量在0.2-0.5,阴极烧结温度在1250C以下,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）,SolidStateIonics931997207-217,SolidStateIonics,17620052555-2561,LSM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/cm2.,SolidstateIonics1382000143-152andSolidstateIonics1762005655-661,LSC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/cm2,LSC阴极的研究进展（2）,SolidstateIonics1382000143-152,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,x1,纯钙钛矿相x1,有SrLaFeO4杂相,Journalofpowersources,11320031-10,Current-VoltagedataforLa0.8Sr0.2xFeO3-xx0.95-1.05at700Cafter72h.,SolidStateIonics,161200311-18andJournalofpowersources,11320031-10,A位缺失或B位缺失都不利于电池性能的提高,LSF阴极的研究进展（2）,SDC阻止Zr扩散进LSF阴极,LSF阴极的研究进展（2）,500小时电池性能并不下降,Journalofpowersources,11320031-10,在1250C以上烧结的阴极电池性能显著下降。,L80SCF,L58SCF,GDC,YSZ,GDC,YSZ,LSCF阴极的研究进展（1）,ationofSr-richphaseintheelectrolyteEDXlinearscansforStronium,CeriumandZirconiumtakenalongtheblacklinesofSOFCswithYSZelectrolyte,GDCinterlayerandaL80SCFbL58SCFcathode.,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。,,SolidStateIonics,17620051341-1350,Journalofpowersources,156200620-22,5000小时内，电池性能损失接近1/1000h,LSCF阴极的研究进展（2）,I-Vcurvesat800and700CofsinglecellswithLSCFcathodeswithdifferentA-sitecompositionsincomparisontotheLSM/YSZ.,1.A位缺失大大提高电池性能。2.La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-是LSCF系列阴极中输出性能最高的阴极材料。其最大功率是LSM/YSZ标准阴极的两倍。,新型BSCF阴极1,nature,4312004170-173,1.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YSZ反应生成高阻抗相,,Journalofpowersources,（2006）inpress,GDC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.DoKiya,SolidstateIonics152-1532002383-3922.H.Ullmannetal,SolidstateIonics138200079-903.J.M.Ralphetal,J.Electrochem.Soc,150112003A1518-15224.S.J.Skinner,InternationalJournalofInorganicMaterials32001113-1215.S.P.JiangSolidstateIonics14620021-226.S.B.Adler,Chem.Rev.10420044791-48437.N.Q.Minh,T.Takahashi,ScienceandTechnologyofCeramicFuelcells.California,USA,19958.S.D.souzaetal,SolidstateIonics98199757-619.T.Tsai,S.A.Barnett,SolidstateIonics931997207-21710.S.P.Jiang,Journalofpowersources,1242003390-40211.Z.W.Wang,etalSolidStateIonics,17620052555-256112.T.Horita,etal,SolidstateIonics1382000143-15213.Z.H.BietalSolidstateIonics1762005655-661,参考文献,14.Z.H.BietalElectrochem.Solidstatelett.572002A17315.S.P.Simneretal,SolidStateIonics,161200311-1816.S.P.Simneretal,Journalofpowersources,11320031-1017.A.Maietal,SolidstateIonics,17620051341-135018.F.Tietzetal,Journalofpowersources,156200620-2219.段枣树，硕士论文，新型阴极材料BSCF在IT-SOFC中的应用。第三章，25-2620.Z.P.shao,S.M.Hailenature4172004170-17321.Z.S.Duan,etal,Journalofpowersources,2006inpress,参考文献,谢谢大家,