固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展

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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600-800°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-O2-CombustibleFuele-P

2、orouscathodePorousanodeSolidelectrolytecollectorcollectore-CO2+H2OO2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-xSrxMnO3-(LSM)La1-xSrxCoO3-(LSC)La1-xSrxFeO3-(LSF)La1-xSrxCo1-yFeyO3-(LSCF)Ba1-xSrxCo1-yFeyO3-(BSC

3、F)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La0.6Sr0.4CoO3-La0.6Sr0.4Mn0.8Co0.2O3-La0.6Sr0.4FeO3-La0.8Sr0.2MnO3-La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-180158412830279.41.710-40.225.610-3810-33.110-511.220.516.314.89.5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

4、反应无反应无反应无反应无反应无反应SolidStateIonics,138(2000),79-90andJ.Electrochem.Soc,150(11)(2003)A1518-1522ElectricalconductorMixedconductorCompositeofelectricalandionicconductorChem.Rev,104(2004)4791-4843不同阴极的电化学反应位LSMLSCLSFLSCFLSM-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）ScienceandTechnologyofCeramic

5、Fuelcells.California,USA,1995andSolidStateIonics93(1997)207-217andandJournalofpowersources,124(2003)390-402LSM与YSZ的反应性Sr含量小于0.35，生成La2Zr2O7Sr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-YSZEffectofAsitedepletiononthecellperformanceA位缺失大大提高电池性能。在

6、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）SolidStateIonics93(1997)207-217SolidStateIonics,176(2005)2555-2561LSM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.SolidstateIonics138(2000)143-152andSolidstateIonics176(2005)655-661LSC阴极的研究进展（1）1150-1200°C烧结的阴极具有最小的界面电阻。1.2W/cm2LSC阴极的研究进展（2）So

7、lidstateIonics138(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）x<1,A位缺失促进烧结x>1,B位缺失降低烧结活性x1,纯钙钛矿相x1,有SrLaFeO4杂相Journalofpowersources,113(2003)1-10Current-Voltag