ch3 燃料电池4-─固体氧化物燃料电池.ppt

3.3.2 阴极材料分类 （1）掺杂的锰酸盐－电解质复合阴极材料 立方钙钛矿结构的LnMnO3（Ln指镧系金属）是一种通过阳离子空位导电的P型半导体，其内部的氧缺陷与其所处的气氛不同而不同，甚至造成材料不稳定，但通过在A位或B位掺杂碱金属或稀土金属氧化物，就可以得到电导率很高、稳定性较好的阴极材料。目前使用最广泛的是Sr掺杂的LaMnO3（LSM）。 （2）掺杂的钴酸盐－电解质复合阴极材料 掺杂的钴酸盐主要是指Sr掺杂的LaCoO3（LSC），Sr、Fe掺杂的LaCoO3（LSCF）以及Sr掺杂的SmCoO3（SSC）等离子-电子混合导电材料。与 LSM 阴极材料相比，具有更高的电子电导率和离子电导率。 4.1 SOFC存在的问题 SOFC工作温度较高 碳氢气体很难直接在SOFC上应用 对各组分材料的要求较高 碳沉积 影响电池的长期稳定性 4.2 研究思路 降低SOFC工作温度 碳氢气体直接利用 降低成本 实现SOFC 的实用化 电解质薄膜化 高离子电导率的电解质材料 降低阴极极化电阻 提高阴极的催化活性 提高阳极对燃料的催化活性 电池结构设计 电极结构设计与优化 用中低温下具有较高离子电导率的电解质材料制备致密电解质薄膜 在阴极的框架结构上引入大量的纳米晶粒，增加阴极中的反应活化点，降低其界面极化电阻 在优化阳极的基础上， 在Ni/SDC陶瓷的骨架上引入抗积碳组分，提高阳极对碳氢气体的催化活性和长期稳定性 阳极支撑型SOFC 直接以碳氢气体为燃料的中低温SOFC 4.2 研究思路 旋涂液种类对阴极微观结构的影响 从阴极的微观形貌看，相对于浆料，用悬浮液更易制得均匀连续的阴极结构 从单电池的电性能看，用悬浮液制得的阴极的单电池具有较小的阴极界面电阻和较大的输出功率密度 悬浮液更适合于制备均匀的阴极薄层 I-V curves AC impedance Cell II Cell I 悬浮液 浆料 悬浮液粘度对阴极微观结构的影响 Sample 1# 2# 3# 4# SSC-SDC compounds (wt%) 95 90 85 80 Ethylcellulose (wt%) 5 10 15 20 Ethanol (ml) 10 10 10 10 不同相对粘度悬浮液的组成 Sample 1# 2# 3# 4# Porosity (%) 24 31 35 42 随着悬浮液相对粘度的增加，阴极的厚度逐渐增大，孔隙率也随之增加 悬浮液粘度对阴极微观结构的影响 5％ 10％ 20％ 15％ 乙基纤维素的添加量较少时，阴极的多孔结构不均匀，表面不平整，局部还有结块产生，随着乙基纤维素添加量的增加，阴极表面的平整度逐渐增大，但是阴极中逐渐出现了裂纹 √ 旋涂转速对阴极微观结构的影响 4000rpm 5000rpm 6000rpm 8000rpm 7000rpm √ 当旋涂转速较低时，阴极表面产生许多裂纹，随着旋涂转速的增加，裂纹逐渐消失，阴极的平整度也会随之增加 随着旋涂转速的增加，阴极的厚度逐渐减小，说明旋涂转速越大，材料的浪费越多 950 ?C 900 ?C 1000 ?C 温度升高 晶粒长大 孔隙率降低 较低的比表面积 SDC与SSC结合变差 烧结温度对阴极微观结构的影响 Sintering temperature of cathode (?C ) Maximum power density (mW cm–2 ) 900 279 950 399 1000 227 Electrode AC impedance I-V曲线和交流阻抗的结果说明，950 ?C 时制得的阴极具有最好的催化性能 I-V curves 测试温度：600 ?C 烧结温度对电池性能的影响 阴极层的相组成 阴极层在1000℃以下烧结时，仅包含SSC和SDC两相，且没有其它杂质相产生 两相分布均匀且结合紧密 SDC晶粒相互连接且大部分SDC晶粒在纳米尺度 950 ?C Element Sr Co Sm Ce Observed (17±3)% (21±3)% (37±4)% (25±2)% Precursor 17% 23% 36% 24% 阴极中不同元 素的摩尔比 纳米多孔阴极的微观结构与组成 EDX BSE 白色区域—SDC，灰色区域—SSC，黑色区域—孔结构 950 ?C 阴极具有连通的孔结构 阴极内部没有局部塌陷 与电解质之间结合的非常紧密 Surface ~20?m SSC-SDC ~25?m SDC ~550?m Ni-SDC 具有纳米多孔结构阴极薄膜的单电池的微观结构 AC impedance 具有纳米多孔结构阴极薄膜的单