固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展模板ppt课件.ppt

中温固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展 1 中温固体氧化物燃料电池的主要特点 工作温度高在600 800 C 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 2 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 3 固体氧化物燃料电池的基本原理 O2 4 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 5 中温电池 600 C 800 C 主要的阴极材料 La1 xSrxMnO3 LSM La1 xSrxCoO3 LSC La1 xSrxFeO3 LSF La1 xSrxCo1 yFeyO3 LSCF Ba1 xSrxCo1 yFeyO3 BSCF ABO3钙钛矿结构 6 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 SolidStateIonics 138 2000 79 90andJ Electrochem Soc 150 11 2003 A1518 1522 7 Electricalconductor Mixedconductor Compositeofelectricalandionicconductor Chem Rev 104 2004 4791 4843 不同阴极的电化学反应位 LSM LSCLSFLSCF LSM YSZ 8 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 1995andSolidStateIonics93 1997 207 217andandJournalofpowersources 124 2003 390 402 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1250 C以下 9 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 SolidStateIonics93 1997 207 217 10 SolidStateIonics 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650 C 优化阴极后的电池性能接近0 6 cm2 11 SolidstateIonics138 2000 143 152andSolidstateIonics176 2005 655 661 LSC阴极的研究进展 1 1150 1200 C烧结的阴极具有最小的界面电阻 1 2W cm2 12 LSC阴极的研究进展 2 SolidstateIonics138 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 13 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 113 2003 1 10 14 Current Voltagedatafor La0 8Sr0 2 xFeO3 x x 0 95 1 05 at700 Cafter72h SolidStateIonics 161 2003 11 18andJournalofpowersources 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 15 LSF阴极的研究进展 2 500小时电池性能并不下降 Journalofpowersources 113 2003 1 10 在1250 C以上烧结的阴极电池性能显著下降 16 L80SCF L58SCF GDC YSZ GDC YSZ LSCF阴极的研究进展 1 FormationofSr richphaseintheelectrolyte EDXlinearscansforStronium CeriumandZirconiumtakenalongtheblacklinesofSOFCswithYSZelectrolyte GDCinterlayerand a L80SCF b L58SCFcathode 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 176 2005 1341 1350 17 Journalofpowersources 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 Vcurvesat800and700 CofsinglecellswithLSCFcathodeswithdifferentA 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 18 新型BSCF阴极 1 nature 431 2004 170 173 1 BSCF阴极在500 C电导率最大 且不超过180S cm 2 BSCF以SDC为电解质 600 C最大功率为1w cm2 19 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 20 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 21 1 M DoKiya SolidstateIonics152 153 2002 383 3922 H Ullmannetal SolidstateIonics138 2000 79 903 J M Ralphetal J Electrochem Soc 150 11 2003 A1518 15224 S J Skinner InternationalJournalofInorganicMaterials3 2001 113 1215 S P JiangSolidstateIonics146 2002 1 226 S B Adler Chem Rev 104 2004 4791 48437 N Q Minh T Takahashi ScienceandTechnologyofCeramicFuelcells California USA 19958 S D souzaetal SolidstateIonics98 1997 57 619 T Tsai S A Barnett SolidstateIonics93 1997 207 21710 S P Jiang Journalofpowersources 124 2003 390 40211 Z W Wang etalSolidStateIonics 176 2005 2555 256112 T Horita etal SolidstateIonics138 2000 143 15213 Z H BietalSolidstateIonics176 2005 655 661 参考文献 22 14 Z H BietalElectrochem Solidstatelett 5 7 2002 A17315 S P Simneretal SolidStateIonics 161 2003 11 1816 S P Simneretal Journalofpowersources 113 2003 1 1017 A Maietal SolidstateIonics 176 2005 1341 135018 F Tie