固體氧化物燃料電池陰極材料的研究進展

1、Seminar II中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的研究進展 學(xué)生：劉斌 導(dǎo)師：程謨杰 研究員2006.04.02Seminar II中溫固體氧化物燃料電池的主要特點工作溫度高在工作溫度高在600-800C。電極催化劑不依賴電極催化劑不依賴 貴金屬。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。好。發(fā)電效率高發(fā)電效率高(60-70%)?？蔁犭娐?lián)供，與蒸汽、可熱電聯(lián)供，與蒸汽、 燃氣輪機燃氣輪機等構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，進一步提高發(fā)電效率。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。 燃料適用性廣燃料適用性廣?？墒褂??？墒褂肅O、H2

2、、天然氣、城市天然氣、城市 煤氣、煤氣、液液化化氣、生物質(zhì)氣化氣為燃料氣、生物質(zhì)氣化氣為燃料。 N O x 和和 S O x 排 放 極 低排 放 極 低 ， C O2排 放排 放 減 半減 半 .Seminar II固體氧化物燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域家庭電站固定電站便攜式全天候電源車載輔助電源Seminar II固體氧化物燃料電池的基本原理O2-O2-Combustible Fuele-PorouscathodePorousanodeSolidelectrolytecollectorcollectore-CO2 +H2OO2Seminar II中溫固體氧化物燃料電池對陰極材料的基本要求v有較高的氧

3、還原活性；v有較高的電導(dǎo)率；v與電解質(zhì)和連接體材料具有良好的化學(xué)相容性，并且熱膨脹系數(shù)要相互匹配；v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。Seminar II中溫電池（中溫電池（600C-800C600C-800C）主要的陰極材料）主要的陰極材料vLa1-x Srx MnO3- (LSM)vLa1-x Srx CoO3- (LSC)vLa1-x Srx FeO3 - (LSF)vLa1-x Srx Co1-y Fey O3 - (LSCF)vBa1-x Srx Co1-y Fey O3 - (BSCF)ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Seminar II幾種陰極材料在幾種陰極材料在80

4、0 C的電導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)的電導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)及及高溫下與電解質(zhì)的相容性高溫下與電解質(zhì)的相容性LaSrGaMg陰極材料化學(xué)相容性電子導(dǎo)電率 (S/cm)離子導(dǎo)電率 (S/cm)熱膨脹系數(shù)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輕微反應(yīng)劇烈反應(yīng)無反應(yīng)劇烈反應(yīng)輕微反應(yīng)無反應(yīng)無

5、反應(yīng)無反應(yīng)無反應(yīng)無反應(yīng)無反應(yīng)無反應(yīng)無反應(yīng)無反應(yīng)無反應(yīng)Solid State Ionics, 138 (2000),79-90 and J.Electrochem.Soc,150(11)(2003)A1518-1522Seminar IIElectrical conductorMixed conductorComposite of electrical and ionic conductorChem.Rev,104 (2004)4791-4843不同陰極的電化學(xué)反應(yīng)位LSMLSCLSFLSCFLSM-YSZSeminar II加入加入YSZ可增加陰極可增加陰極的離子電導(dǎo)，擴大三的離子電導(dǎo)，擴大三

6、相界面，顯著改善電相界面，顯著改善電池性能池性能 。LSM基陰極的研究進展（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)390-402LSM與YSZ的反應(yīng)性Sr含量小于0.35，生成La2Zr2O7Sr含量大于0.35，生成SrZrO3考慮電導(dǎo)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S

7、eminar IILa0.8Sr0.2MnO3-YSZ(La0.8Sr0.2)0.9MnO3-YSZEffect of A site depletion on the cell performance A位缺失大大位缺失大大提高電池性能。提高電池性能。在空氣和氧氣中在空氣和氧氣中電池性能差別近電池性能差別近一倍。一倍。LSM基陰極的研究進展（基陰極的研究進展（2）Solid State Ionics 93 (1997) 207-217Seminar IISolid State Ionics ,176 (2005)2555-2561LSM基陰極的研究進展（基陰極的研究進展（3）LSM-5Ce10

8、ScZr大大提高了大大提高了LSM基陰極的電化學(xué)性能，在基陰極的電化學(xué)性能，在650C,優(yōu)化陰極優(yōu)化陰極后的電池性能接近后的電池性能接近0.6/cm2.Seminar IISolid state Ionics 138 (2000) 143-152 and Solid state Ionics 176 (2005) 655-661LSC陰極的研究進展（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/cm2Seminar IILSC陰極的研究進展（陰極的研究進展（2）Solid state Ionics 138 (2000) 143-152陰極工作陰極工作700小時

9、后，性能沒有小時后，性能沒有顯著下降。然而顯著下降。然而歐姆阻抗降低，歐姆阻抗降低，極化阻抗增加，這是由極化阻抗增加，這是由Co 擴散擴散生成生成LaSrGaMgCo 引起的。引起的。Co擴散對薄膜電池的性能有重大擴散對薄膜電池的性能有重大影響影響Seminar IILSF陰極的研究進展（陰極的研究進展（1）x1,B位缺失降低燒結(jié)位缺失降低燒結(jié)活性活性x 1,純鈣鈦礦相純鈣鈦礦相x 1,有有SrLaFeO4 雜相雜相Journal of power sources,113 (2003)1-10Seminar II Current-Voltage data for (La0.8Sr0.2)xFe

10、O3-x (x=0.95-1.05) at 700C after 72h.Solid State Ionics ,161 (2003)11-18 and Journal of power sources,113 (2003)1-10A位缺失或位缺失或B位位缺失都不利于電缺失都不利于電池性能的提高池性能的提高LSF陰極的研究進展（陰極的研究進展（2）SDC阻止阻止Zr 擴擴散進散進LSF陰極陰極Seminar IILSF陰極的研究進展（陰極的研究進展（2）500小時電池小時電池性能并不下性能并不下降降Journal of power sources,113 (2003)1-10在在1250 C以

11、上燒結(jié)的陰以上燒結(jié)的陰極電池性能顯著下降。極電池性能顯著下降。Seminar IIL80SCFL58SCFGDCYSZGDCYSZLSCF陰極的研究進展（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

12、以在一定程度上阻止夾層可以在一定程度上阻止LSCF與與YSZ的反應(yīng)。對高的反應(yīng)。對高Sr含量的含量的L58SCF陰極，陰極，在在YSZ界面上仍有高阻抗相界面上仍有高阻抗相SrZrO3生成。生成。Solid State Ionics ,176 (2005)1341-1350Seminar IIJournal of power sources,156 (2006)20-225000小時內(nèi)，小時內(nèi)，電池性能損失電池性能損失接近接近1%/1000hLSCF陰極的研究進展（陰極的研究進展（2）I-V curves at 800 and 700 C of single cells with LSCF ca

13、thodes 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。Seminar II新型BSCF陰極 (1)nature,431(2004)170-1731.BSCF陰極在陰極在500C電導(dǎo)率最大電導(dǎo)率最大,且不超過且不超過180S/cm. 2. BSCF以以SDC為電解質(zhì)，為電解質(zhì)，600C最大功率為最大功率為1w/cm2. Seminar II新型

14、BSCF陰極（2）BSCF與YSZ反應(yīng)生成高阻抗相Journal of power sources, （2006）in pressGDC夾層的引入抑夾層的引入抑制了制了YSZ與與BSCF的的反應(yīng)，大大提高了反應(yīng)，大大提高了電池的性能電池的性能Seminar II結(jié)論結(jié)論1.LSM基陰極與YSZ具有良好的化學(xué)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(yīng)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(fù)性，必須嚴格控制陰極的計量比。3.開發(fā)新陰極

15、材料，不僅要考慮陰極本身的電導(dǎo)率和氧還原活性，還要考慮與其他相關(guān)材料的高溫化學(xué)及熱的相容性。Seminar II1.M.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

16、5.S.P.Jiang Solid state Ionics 146 (2002) 1-226. S.B.Adler,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.

17、Jiang, Journal of power sources,124 (2003)390-40211. Z.W.Wang, 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) 655-661參考文獻Seminar II14. 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