1、Seminar II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2019.04.02Seminar II中温固体氧化物燃料电池的主要特点工作温度高在工作温度高在600-800C。电极催化剂不依赖。电极催化剂不依赖 贵金属。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可使用廉价的连接材料，且材料和材料之间的稳定性更好。好。发电效率高发电效率高(60-70%)。可热电联供，与蒸汽、可热电联供，与蒸汽、燃气轮机燃气轮机等构成联合循环发电系统，进一步提高发电效率。等构成联合循环发电系统，进一步提高发电效率。燃料适用性广燃料适用性广。可使用。可使用CO、H2、天
2、然气、城市天然气、城市 煤气、煤气、液液化化气、生物质气化气为燃料气、生物质气化气为燃料。N O x 和和 S O x 排 放 极 低排 放 极 低，C O2排 放排 放 减 半减 半.Seminar II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Seminar II固体氧化物燃料电池的基本原理O2-O2-Combustible Fuele-PorouscathodePorousanodeSolidelectrolytecollectorcollectore-CO2+H2OO2Seminar II中温固体氧化物燃料电池对阴极材料的基本要求v有较高的氧还原活性；v有
3、较高的电导率；v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；v在氧还原气氛和有工作负载的情况下要有一定的稳定性。Seminar II中温电池（中温电池（600C-800C600C-800C）主要的阴极材料）主要的阴极材料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钙钛矿结构钙钛矿结构Seminar II几种阴极材料在几种阴极材料在800 C的电导率、热膨胀系数的电
4、导率、热膨胀系数及及高温下与电解质的相容性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 O3-180158412830279.41.710-40.225.610-3810-33.110-511.220.516.314.89.5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反应无反应无反应无
5、反应无反应无反应Solid State Ionics,138(2000),79-90 and J.Electrochem.Soc,150(11)(2019)A1518-1522Seminar IIElectrical conductorMixed conductorComposite of electrical and ionic conductorChem.Rev,104(2019)4791-4843不同阴极的电化学反应位LSMLSCLSFLSCFLSM-YSZSeminar II加入加入YSZ可增加阴极可增加阴极的离子电导，扩大三的离子电导，扩大三相界面，显著改善电相界面，显著改善电池性能
6、池性能。LSM基阴极的研究进展（基阴极的研究进展（1）Science and Technology of Ceramic Fuel cells.California,USA,2019 and Solid State Ionics 93(2019)207-217 and and Journal of power sources,124(2019)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1250C以下Seminar IILa0.8Sr0.2MnO3-YSZ
7、(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电池性能。提高电池性能。在空气和氧气中在空气和氧气中电池性能差别近电池性能差别近一倍。一倍。LSM基阴极的研究进展（基阴极的研究进展（2）Solid State Ionics 93(2019)207-217Seminar IISolid State Ionics,176(2019)2555-2561LSM基阴极的研究进展（基阴极的研究进展（3）LSM-5Ce10ScZr大大提高了大大提高了LSM基阴极的电化学性能，在基阴极
8、的电化学性能，在650C,优化阴极优化阴极后的电池性能接近后的电池性能接近0.6/cm2.Seminar IISolid state Ionics 138(2000)143-152 and Solid state Ionics 176(2019)655-661LSC阴极的研究进展（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/cm2Seminar IILSC阴极的研究进展（阴极的研究进展（2）Solid state Ionics 138(2000)143-152阴极工作阴极工作700小时后，性能没有小时后，性能没有显著下降。然而显著下降。然而欧姆阻抗降低，欧姆
9、阻抗降低，极化阻抗增加，这是由极化阻抗增加，这是由Co 扩散扩散生成生成LaSrGaMgCo 引起的。引起的。Co扩散对薄膜电池的性能有重大扩散对薄膜电池的性能有重大影响影响Seminar IILSF阴极的研究进展（阴极的研究进展（1）x1,B位缺失降低烧结位缺失降低烧结活性活性x 1,纯钙钛矿相纯钙钛矿相x 1,有有SrLaFeO4 杂相杂相Journal of power sources,113(2019)1-10Seminar II Current-Voltage data for(La0.8Sr0.2)xFeO3-x(x=0.95-1.05)at 700C after 72h.Soli
10、d State Ionics,161(2019)11-18 and Journal of power sources,113(2019)1-10A位缺失或位缺失或B位位缺失都不利于电缺失都不利于电池性能的提高池性能的提高LSF阴极的研究进展（阴极的研究进展（2）SDC阻止阻止Zr 扩扩散进散进LSF阴极阴极Seminar IILSF阴极的研究进展（阴极的研究进展（2）500小时电池小时电池性能并不下性能并不下降降Journal of power sources,113(2019)1-10在在1250 C以上烧结的阴以上烧结的阴极电池性能显著下降。极电池性能显著下降。Seminar IIL80S
11、CFL58SCFGDCYSZGDCYSZLSCF阴极的研究进展（阴极的研究进展（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夹层可以在一定程度上阻止夹层可以在一定程度上阻止LSCF与与YSZ的反应。对高的反应。对高Sr含量的含量的L5
12、8SCF阴极，阴极，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(2019)1341-1350Seminar IIJournal of power sources,156(2019)20-225000小时内，小时内，电池性能损失电池性能损失接近接近1%/1000hLSCF阴极的研究进展（阴极的研究进展（2）I-V curves at 800 and 700 C of single cells with LSCF cathodes with different A-site compositions in comparison
13、 to the LSM/YSZ.1.A位缺失大大提高电池性能。2.La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-是LSCF系列阴极中输出性能最高的阴极材料。其最大功率是LSM/YSZ标准阴极的两倍。Seminar II新型BSCF阴极(1)nature,431(2019)170-1731.BSCF阴极在阴极在500C电导率最大电导率最大,且不超过且不超过180S/cm.2.BSCF以以SDC为电解质，为电解质，600C最大功率为最大功率为1w/cm2.Seminar II新型BSCF阴极（2）BSCF与YSZ反应生成高阻抗相Journal of power sources,（2019）in
14、pressGDC夹层的引入抑夹层的引入抑制了制了YSZ与与BSCF的的反应，大大提高了反应，大大提高了电池的性能电池的性能Seminar II结论结论1.LSM基阴极与YSZ具有良好的化学相容性，其阴极的稳定性已被近30年的研究所证实。但其氧还原活性较低，在空气和氧气气氛中差别很大。LSC阴极的Co扩散有待研究。LSCF和LSF可能在中温电池中有很大的应用前景。2.阴极组成计量比的稍微变化会严重影响电池的输出性能。要保证电池的可重复性，必须严格控制阴极的计量比。3.开发新阴极材料，不仅要考虑阴极本身的电导率和氧还原活性，还要考虑与其他相关材料的高温化学及热的相容性。Seminar II1.M.
15、DoKiya,Solid state Ionics 152-153(2019)383-3922.H.Ullmann et al,Solid state Ionics 138(2000)79-903.J.M.Ralph et al,J.Electrochem.Soc,150(11)(2019)A1518-15224.S.J.Skinner,International Journal of Inorganic Materials3(2019)113-121 5.S.P.Jiang Solid state Ionics 146(2019)1-226.S.B.Adler,Chem.Rev.104(20
16、19)4791-48437.N.Q.Minh,T.Takahashi,Science and Technology of Ceramic Fuel cells.California,USA,20198.S.D.souza et al,Solid state Ionics 98(2019)57-619.T.Tsai,S.A.Barnett,Solid state Ionics 93(2019)207-21710.S.P.Jiang,Journal of power sources,124(2019)390-40211.Z.W.Wang,et al Solid State Ionics,176(2
17、019)2555-256112.T.Horita,et al,Solid state Ionics 138(2000)143-15213.Z.H.Bi et al Solid state Ionics 176(2019)655-661参考文献Seminar II14.Z.H.Bi et al Electrochem.Solid state lett.5(7)(2019)A17315.S.P.Simner et al,Solid State Ionics,161(2019)11-1816.S.P.Simner et al,Journal of power sources,113(2019)1-1017.A.Mai et al,Solid state Ionics,176(2019)1341-135018.F.Tietz et al,Journal of power sources,156(2019)20-2219.段枣树，硕士论文，新型阴极材料BSCF在IT-SOFC中的应用。第三章，25-2620.Z.P.shao,S.M.Haile nature 417(2019)170-17321.Z.S.Duan,et al,Journal of power sources,(2019)in press参考文献Seminar II谢谢大家！谢谢大家！
