原位拉曼光谱技术研究中低温固体氧化物燃料电池的性能衰减机制

Solid oxide fuel cells (SOFCs) have drawn much attention due to the high power density and clean production in recent years when the problem of energy and environment becomes more and more serious. Low and intermedium-temperature SOFCs are prospective by using film electrolyte.The shift in emphasis has been driven from the electrolyte to the electrodes where the electrodes show a higher percentage of the voltage loss for IT-SOFCs.In order to find out new electrodes' compoments, structure and redox state under the real working conditions, in this proposal, we plan to prepare a new type of measuring system which can combine in-situ Raman and electrochemical test.Together with ex-situ test such as XRD,SEM,XPS, we analyse the new materials' properties and its' degradation mechanism for IT-SOFCs（400oC-750oC）.We will develop a fundamental research on the electrodes from its molecule to crystal structure, reveal the relationship between the material design, fabrication technology, microstructure and electrochemical performances. Our research will give an useful information for the practical application of the intermedium-temperature SOFCs.

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有发电效率高，对环境友好等独特的优势，在能源、环境问题日益严重的今天，越来越受到各国的普遍重视。随着中低温化的进程，电解质薄膜技术的应用，研究的重点从电解质向电极转移，因为在相对低的操作温度下电极对电池性能降低的贡献将大于电解质。为了能直接了解燃料电池工作状态下新电极材料化学组分，空间结构和元素氧化还原状态的变化，本项目利用Raman 光谱技术对晶体结构的短程结构变化和氧缺位很敏感的特点，将原位拉曼技术与电性能测试技术匹配，结合异位XRD、SEM、XPS等手段，考察在中低温（400oC-750oC）范围内，新电极材料的性能及性能退化机制。对SOFC电极材料的微结构进行深入的基础性研究，揭示材料设计、制备工艺、微观结构及电化学性能之间的内在联系，进而优选出合适的SOFC关键材料。

新能源、新资源的开发，环境保护是当今人类面临的几大难题。由于对化石能源大量使用可能导致全球环境变化和资源枯竭的担忧，燃料电池作为一种新型的发电装置受到越来越多的重视。随着中低温化的进程，电解质薄膜技术的应用，研究的重点从电解质向电极转移，因为在相对低的操作温度下电极对电池性能降低的贡献将大于电解质。为了能直接了解燃料电池工作状态下新电极材料化学组分，空间结构和元素氧化还原状态的变化，本项目利用Raman 光谱技术对晶体结构的短程结构变化和氧缺位很敏感的特点，考察在中低温（400oC—750oC）范围内，新电极材料的性能及性能退化机制。本项目有两个目标：一是优选出与中低温电解质相匹配的性能稳定的电极材料；这发面我们依托此项目发表十余篇文章。二是实现能够实时测量工作状态下燃料电池关键材料的拉曼光谱，由于显微拉曼的特点，这是有一定难度的工作。对于已经发表的阴极材料，由于其成分复杂，尽管不断地调整参数，我们目前还未得到有效的拉曼光谱，所以这方面的工作今后还要继续。中温电解质材料则有分辨率很高的拉曼吸收光谱。关于燃料电池的新结构我们有个重要结果发表在Journal of Power Sources 杂志上，文章题目Design, fabrication and Characterization of a double layer solid oxide fuel cell (DLFC)，这个新型的两层结构的燃料电池由阳极和阴极组成，在500 °C的功率密度能达到 230 mWcm-2 。.总的来说，研究内容基本按照申请书的研究计划执行。除了固体氧化物燃料电池的相关研究，我们也开展了超级电容器——一种新型储能器件的研究，依托本项目基金支持，通过几年的努力，已经发表相关的SCI文章5篇。另外，这四年依托本项目获得国家发明专利五个，实用新型专利5个。