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-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,Solid State Ionics, 138 (2000),79-90 and J.Electrochem.Soc,150(11)(2003)A1518-1522,Electrical conductor,Mixed conductor,Composite of electrical and ionic conductor,Chem.Rev,104 (2004)4791-4843,不同阴极的电化学反应位,LSM,LSC LSF LSCF,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）,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)390-402,LSM与YSZ的反应性,Sr含量小于0.35，生成La2Zr2O7 Sr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）,Solid State Ionics 93 (1997) 207-217,Solid State Ionics ,176 (2005)2555-2561,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.,Solid state Ionics 138 (2000) 143-152 and Solid state Ionics 176 (2005) 655-661,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）,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SrLaFeO4 杂相,Journal of power sources,113 (2003)1-10,Current-Voltage data for (La0.8Sr0.2)xFeO3-x (x=0.95-1.05) at 700C after 72h.,Solid State Ionics ,161 (2003)11-18 and Journal of power sources,113 (2003)1-10,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,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。,L80SCF,L58SCF,GDC,YSZ,GDC,YSZ,LSCF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 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,Journal of power sources,156 (2006)20-22,5000小时内，电池性能损失接近1%/1000h,LSCF阴极的研究进展（2）,I-V curves at 800 and 700 C of single cells with LSCF cathodes with different A-site compositions in comparison to the LSM/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,431(2004)170-173,1.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,Journal of power sources, （2006）in press,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, Solid state Ionics 152-153 (2002) 383-392 2.H.Ullmann et al, Solid state Ionics 138 (2000) 79-90 3.J.M.Ralph et al, J.Electrochem.Soc,150(11) (2003) A1518-1522 4.S.J.Skinner, International Journal of Inorganic Materials3 (2001)113-121 5.S.P.Jiang Solid state Ionics 146 (2002) 1-22 6. S.B.Adler,Chem.Rev.104 (2004) 4791-4843 7. N.Q.Minh, T.Takahashi, Science and Technology of Ceramic Fuel cells. California, USA,1995 8. S. D.souza et al,Solid state Ionics 98 (1997) 57-61 9.T.Tsai, S.A.Barnett, Solid state Ionics 93 (1997) 207-217 10.S.P.Jiang, Journal of power sources,124 (2003)390-402 11. Z.W.Wang, et al Solid State Ionics ,176 (2005)2555-2561 12. T.Horita, et al, Solid state Ionics 138 (2000) 143-152 13. 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) A173 15.S.P.Simner et al, Solid State Ionics ,161 (2003)11-18 16. S.P.Simner et al,Journal of power sources,113 (2003)1-10 17.A.Mai et al, Solid state Ionics,176 (2005)1341-1350 18.F.Tietz