固體氧化物燃料電池關(guān)鍵材料KeymaterialsforSolidOxideFuelCellsBA13014016

鞠江偉SA13014004王霜12報告大綱：1固體氧化物燃料電池的背景及其工作原理；2固體氧化物燃料電池的基本材料；3固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料。3什么是燃料電池（Fuelcell)?燃料電池由陽極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成。其工作原理與普通電池（Battery）類似，燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽極通過負(fù)載流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電流。燃料電池是一類將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池的概念是1842年W.R.Grove提出的，至今已有大約170年的歷史。燃料氧化劑陽極陰極電解質(zhì)導(dǎo)電離子4固體氧化物燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池磷酸燃料電池

聚合物離子膜燃料電池

堿性燃料電池燃料電池分類5SOFC優(yōu)缺點優(yōu)點燃料適應(yīng)性廣非貴金屬催化劑高品質(zhì)熱全固態(tài)高功率密度缺點高溫材料問題：密封材料、連接板材料等密封和連接技術(shù)問題固體氧化物燃料電池（solid

oxidefuelcell--

SOFC）Fuelflexibility1.固體氧化物燃料電池的工作原理6L.D.Fan,J.PowerSources234(2013)154-1741.固體氧化物燃料電池的工作原理開路電壓

(open-circuitvoltage)72.固體氧化物燃料電池的關(guān)鍵材料IntactcellcathodeelectrolyteanodeporousdenseporousY.Ma,Adv.Mater.22(2010)1640-164482.固體氧化物燃料電池的關(guān)鍵材料典型材料cathodeLa0.8Sr0.2MnO3-xLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-xelectrolyteY0.08Zr0.92O2-xSm0.2Ce0.8O2-xanodeNickelDoped-SrTiO392.固體氧化物燃料電池的關(guān)鍵材料基本要求Cathode/airelectrodeAnode/fuelelectrode103.固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料固體電解質(zhì)是SOFC最核心的部件，用于傳導(dǎo)氧離子和分隔燃料與氧化劑。決定著SOFC的工作溫度以及與之相匹配的電極材料11電解質(zhì)材料電解質(zhì)材料必須滿足以下條件：高的氧離子電導(dǎo)率和可以忽略的電子電導(dǎo)率在氧化和還原氣氛中具有良好的穩(wěn)定性能夠形成致密的薄膜足夠的機械強度和較低的價格等123.固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料OxygenionconductivityofselectedoxidesV.V.Kharton,SolidStateIonics174(2004)135133.固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料電解質(zhì)螢石ZrO2CeO2鈣鈦礦LaGaO3143.固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料-ZrO2basedY2O3dopedZrO2300℃153.固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料-ZrO2basedIn1899,NernstdiscoveredthatZrO2with15m%Y2O3wasasolidoxideionconductor.In1937,thefirstSOFCoperatingat1000℃wasbuiltwithZrO2-15m%Y2O3aselectrolyte.HistoryUntilnow,8mol%Y2O3dopedZrO2(8YSZ)isstilldominantamongelectrolytes.O.Yamamoto,ElectrochimicaActa45(2000)2423-2435163.固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料-ZrO2based8%(mol)Y2O3穩(wěn)定的ZrO2（YSZ）是SOFC中普遍采用的電解質(zhì)材料，其電導(dǎo)率在950C下約為0.1S/cm。雖然YSZ的電導(dǎo)率比其他類型的固體電解質(zhì)小1-2個數(shù)量級，但它有突出的優(yōu)點：在很寬的氧分壓范圍呈純氧離子導(dǎo)電特性，電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電只在很低和很高的氧分壓下產(chǎn)生。因此，YSZ是目前少數(shù)幾種在SOFC中具有實用價值的氧化物固體電解質(zhì)。173.固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料-CeO2based為了適應(yīng)中低溫操作的需求Gd2O3,Sm2O3,Y2O3……dopedCeO2183.固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料-CeO2basedCe(IV)+eCe(III)低的開路電壓T.Suzuki,SolidStateIon.151(2002)111-121193.固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料-CeO2based燃料電池性能受限于氧化鈰基SOFC能量轉(zhuǎn)化效率低（內(nèi)部短路電流）開路電壓只有0.8-0.9V遠(yuǎn)低于理論的1.1V能量轉(zhuǎn)換效率至少損失20%-30%2021LaGaO3basedLaGaO3是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物，電導(dǎo)率非常低，不過，當(dāng)La3+和Ga3+被低價態(tài)的堿土金屬離子部分取代后，結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生大量的氧空位，氧離子電導(dǎo)率顯著增加。1994年Ishihara和Goodenough發(fā)現(xiàn)LSGM在600oC有很高氧離子電導(dǎo)率(10-2S/cm)，在很寬的氧分壓范圍內(nèi)以離子電導(dǎo)為主。3.固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料-LaGaO3based向A位摻雜Sr，向B位摻雜Mg來獲得氧缺位La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O2.82223LSGMCompatibilityIssueNiOreactswithLSGMtoformimpuritieslikeLaNiO3andLaSrGa3O7-DifficulttofabricatethinLSGMelectrolyteSOFCsZhangetal.,SolidStateIonics133(2000)153–160.241組成元素較多，制備時容易生成雜相，從而降低電解質(zhì)的電導(dǎo)率2高溫下的化學(xué)相容性不好，與大多數(shù)電極材料之間存在界面擴(kuò)散或者化學(xué)反應(yīng)。3Ga價格昂貴LSGMLSGM固體電解質(zhì)25發(fā)展趨勢SOFC結(jié)構(gòu)設(shè)計及發(fā)展趨勢1000oC900oC800oC700oC600oC500oCLSM+YSZYSZNi+YSZ電解質(zhì)自支撐陰極：50微米電解質(zhì)：100微米陽極：50微米1GLSM+YSZYSZNi+YSZ陽極支撐陰極：50微米電解質(zhì)：20微米陽極：

1毫米2GSSCNi+SDCSDC/LSGM陽極支撐陰極：50微米電解質(zhì)：20微米（新型）陽極：0.50-1.5毫米3GEND26管狀固體氧化物燃料電池

陰極支撐型SA13014004王霜內(nèi)容提要：1.研究背景2.陰極支撐型管狀固體氧化物的工作原理3.Dip-coating制備管狀燃料電池4.性能比較291.研究背景——陰極支撐管狀固體氧化物燃料電池(CS-T-SOFC)SOFC管式SOFC板式SOFC陰極支撐型陽極支撐型電解質(zhì)支撐型歐姆極化小輸出功率高高溫：電阻變大熱膨脹系數(shù)不匹配：熱循環(huán)性能差密封問題：氣體泄露長期穩(wěn)定性好有較薄的陽極較高歐姆&陰極極化阻抗較高輸出功率密度氧化-還原穩(wěn)定性&長期性能較差輸出功率低氧化-還原循環(huán)過程避免體積收縮&膨脹淘汰不被考慮

2.CS-T-SOFC工作原理陽極側(cè)：H2+O2-→H2O+2e-

CH4+4O2-→2H2O+CO2+8e-

CO+O2-→CO2+2e-陰極側(cè)：3.Dip-coating制備管狀燃料電池陽極：NiO+YSZ電解質(zhì)：YSZ陰極：LSCFDip-coating第一步Dip-coating第二步Dip-coating第三步Dip-coatingYSZ電解質(zhì)3.2.1.陰極支撐體+YSZ薄膜電解質(zhì)4.對比MygroupworkReference功率密度（mWcm-2）NiO-YSZ|YSZ|LSCF-YSZNiO-SDC|SDC-YSZ|PNSM-SDC750℃523472700℃365290650℃219166JournalofPowerSources182(2008)585–588陰極支撐板式SOFC陰極支撐微管式SOFCMygroupworkReference功率密度（mWcm-2）NiO-YSZ|YSZ|LSCF-YSZNiO-GDC|ScSZ|LSM-GDC750℃523453700℃365298650℃219163600℃11679電池的溫度-功率密度曲線ElectrochemistryCommunications10(2008)1