固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展.ppt
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1、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,2006.04.02,中温固体氧化物燃料电池的主要特点,工作温度高在600-800C。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,家庭电站,固定电站,便携式全天候电源,车载辅助电源,固体氧化物燃料电池的基本原理,O2,中温固体氧
2、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(600C-800C)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),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,La
3、SrGaMg,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 Te
4、chnology 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1250C以下,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
5、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650C,优化阴极 后的电池性能接近0.6/cm2.,Solid state Ionics 138 (2000) 143-152 and Solid state Ionics 176 (2005) 655-661,LSC阴极的研究进展(1),1150-1200C烧结的阴极具有最小的界面电阻。,1.2W/cm2,LSC阴极的研究进展(2),Solid state Ionics
6、 138 (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,LSF阴极的研究进展(1),x1,B位缺失降低烧结活性,x1,纯钙钛矿相 x1,有SrLaFeO4 杂相,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)
7、11-18 and Journal of power sources,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,LSF阴极的研究进展(2),500小时电池性能并不下降,Journal of power sources,113 (2003)1-10,在1250 C以上烧结的阴极电池性能显著下降。,L80SCF,L58SCF,GDC,YSZ,GDC,YSZ,LSCF阴极的研究进展(1),Formation of Sr-rich phase in the electrolyte: EDX linear sca
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