固体氧化物燃料电池阴极材料研究进展.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 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. 固体氧化物燃料电池的应用领域 固体氧化物燃料电池的基本原理 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（600oC-800oC）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) * Seminar II * Seminar II 2006.04.02 家庭电站 固定电站 便携式全天候电源 车载辅助电源 O2- O2- Combustible Fuel e- Porous cathode Porous anode Solid electrolyte collector collector e- CO2 +H2O O2 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 阴极材料 化学相容性 电子导电率 (S/cm) 离子导电率 (S/cm) 热膨胀系数 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 -? 180 1584 128 302 79.4 1.7?10-4 0.22 5.6?10-3 8?10-3 3.1?10-5 11.2 20.5 16.3 14.8 9.5 轻微反应 剧烈反应 无反应 剧烈反应 轻微反应 无反应 无反应 无反应 无反应 无反应 无反应 无反应 无反应 无反应 无反应 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1250°C以下 La0.8Sr0.2MnO3-YSZ (La0.8Sr0.2)0.9MnO3-YSZ Effect of A site depletion on the cell performance 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650°C,优化阴极 后的电池性能接近0.6/cm2. Solid stat