固體氧化物燃料電池陰極材料的研究進展.ppt

中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的研究進展,學生：劉斌 導師：程謨杰 研究員,2006.04.02,中溫固體氧化物燃料電池的主要特點,工作溫度高在600-800C。電極催化劑不依賴 貴金屬。 可使用廉價的連接材料，且材料和材料之間的穩(wěn)定性更好。 發(fā)電效率高(60-70%)。可熱電聯(lián)供，與蒸汽、 燃氣輪機等構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，進一步提高發(fā)電效率。 燃料適用性廣。可使用CO、H2、天然氣、城市 煤氣、液化氣、生物質(zhì)氣化氣為燃料。 NOx和SOx排放極低，CO2排放減半.,固體氧化物燃料電池的應用領域,家庭電站,固定電站,便攜式全天候電源,車載輔助電源,固體氧化物燃料電池的基本原理,O2,中溫固體氧化物燃料電池對陰極材料的基本要求,有較高的氧還原活性； 有較高的電導率； 與電解質(zhì)和連接體材料具有良好的化學相容性，并且熱膨脹系數(shù)要相互匹配； 在氧還原氣氛和有工作負載的情況下要有一定的穩(wěn)定性。,中溫電池（600C-800C）主要的陰極材料,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鈣鈦礦結(jié)構(gòu),幾種陰極材料在800 C的電導率、熱膨脹系數(shù)及 高溫下與電解質(zhì)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,不同陰極的電化學反應位,LSM,LSC LSF LSCF,LSM-YSZ,加入YSZ可增加陰極的離子電導，擴大三相界面，顯著改善電池性能 。,LSM基陰極的研究進展（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與YSZ的反應性,Sr含量小于0.35，生成La2Zr2O7 Sr含量大于0.35，生成SrZrO3 考慮電導率等綜合因素，陰極中Sr含量在0.2-0.5,陰極燒結(jié)溫度在1250C以下,A位缺失大大提高電池性能。,在空氣和氧氣中電池性能差別近一倍。,LSM基陰極的研究進展（2）,Solid State Ionics 93 (1997) 207-217,Solid State Ionics ,176 (2005)2555-2561,LSM基陰極的研究進展（3）,LSM-5Ce10ScZr大大提高了LSM基陰極的電化學性能，在650C,優(yōu)化陰極 后的電池性能接近0.6/cm2.,Solid state Ionics 138 (2000) 143-152 and Solid state Ionics 176 (2005) 655-661,LSC陰極的研究進展（1）,1150-1200C燒結(jié)的陰極具有最小的界面電阻。,1.2W/cm2,LSC陰極的研究進展（2）,Solid state Ionics 138 (2000) 143-152,陰極工作700小時后，性能沒有顯著下降。然而歐姆阻抗降低，極化阻抗增加，這是由Co 擴散生成LaSrGaMgCo 引起的。Co擴散對薄膜電池的性能有重大影響,LSF陰極的研究進展（1）,x1,B位缺失降低燒結(jié)活性,x1,純鈣鈦礦相 x1,有SrLaFeO4 雜相,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位缺失都不利于電池性能的提高,LSF陰極的研究進展（2）,SDC阻止Zr 擴散進LSF陰極,LSF陰極的研究進展（2）,500小時電池性能并不下降,Journal of power sources,113 (2003)1-10,在1250 C以上燒結(jié)的陰極電池性能顯著下降。,L80SCF,L58SCF,GDC,YSZ,GDC,YSZ,LSCF陰極的研究進展（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夾層可以在一定程度上阻止LSCF與YSZ的反應。對高Sr含量的L58SCF陰極， 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小時內(nèi)，電池性能損失接近1%/1000h,LSCF陰極的研究進展（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位缺失大大提高電池性能。2.La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-是LSCF系列陰極中輸出性能最高的陰極材料。其最大功率是LSM/YSZ標準陰極的兩倍。,新型BSCF陰極 (1),nature,431(2004)170-173,1.BSCF陰極在500C電導率最大,且不超過180S/cm. 2. BSCF以SDC為電解質(zhì)，600C最大功率為1w/cm2.,新型BSCF陰極（2）,BSCF與YSZ反應生成高阻抗相,Journal of power sources, （2006）in press,GDC夾層的引入抑制了YSZ與BSCF的反應，大大提高了電池的性能,結(jié)論,1.LSM基陰極與YSZ具有良好的化學相容性，其陰極的穩(wěn)定性已被近30年的研究所證實。但其氧還原活性較低，在空氣和氧氣氣氛中差別很大。LSC陰極的Co擴散有待研究。LSCF和LSF可能在中溫電池中有很大的應用前景。 2.陰極組成計量比的稍微變化會嚴重影響電池的輸出性能。要保證電池的可重復性，必須嚴格控制陰極的計量比。 3.開發(fā)新陰極材料，不僅要考慮陰極本身的電導率和氧還原活性，還要考慮與其他相關材料的高溫化學及熱的相容性。,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) 655-661,參考文獻,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