固體氧化物燃料電池

1、.1固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell）.212341目錄目錄固體氧化燃料電池原理固體氧化燃料電池原理固體氧化物燃料電池特點(diǎn)固體氧化物燃料電池特點(diǎn)固體氧化物燃料電池材料固體氧化物燃料電池材料SOFCSOFC國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r.3固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池第一代燃料電池(磷酸鹽酸性燃料電池）第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池）固體氧化物燃料電池(SOFC)屬于第三代燃料電池第三代燃料電池，是一種在中高溫中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。.4陽(yáng)極反應(yīng)：陽(yáng)極反應(yīng)：H2+O2-

2、H2O+2e-陰極反應(yīng)陰極反應(yīng): O2+4e- 2O2- 在陰極，氧分子得到電子還原為氧離子，氧離子在氧濃度差和電位差作用下，通過(guò)電解質(zhì)中的氧空穴定向遷移，到達(dá)陽(yáng)極后與燃料發(fā)生氧化反應(yīng)。固體氧化物燃料電池采用固體氧化物固體氧化物為電解質(zhì)。固體氧化物在高溫下具有傳遞O2-的能力，在電池中起傳遞O2-和分離燃料和氧化劑的作用。固體氧化物燃料電池原理固體氧化物燃料電池原理.5 從原理上講，固體氧化物燃料電池是最理想的燃料電池之一，它具有如下的優(yōu)點(diǎn)：（1）工作溫度高工作溫度高（800-10000C）,高溫可以保證燃料的快速氧化，且不需不需要昂貴的電催化劑；要昂貴的電催化劑；（2）SOFC的工作電壓可以

3、達(dá)到理論開(kāi)路電壓的96%，由于固體氧化物電解質(zhì)的透氣性很低，電子電導(dǎo)率低；（3）由于SOFC運(yùn)行溫度高，便于利用高溫廢氣，可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高； （4）全固體結(jié)構(gòu)全固體結(jié)構(gòu)，避免了液態(tài)電解質(zhì)對(duì)材料的腐蝕，解決了電解液的控制問(wèn)題； （5）氧化物電解質(zhì)很穩(wěn)定，抗毒性好。電極有相對(duì)較強(qiáng)的抗污染能力； （6）可使用多種燃料可使用多種燃料，包括直接使用碳?xì)浠衔铮?（7）不要求外圍設(shè)備條件，諸如不需要濕度控制、空氣調(diào)節(jié)等。固體氧化物燃料電池特點(diǎn)固體氧化物燃料電池特點(diǎn).6固體氧化物燃料電池材料固體氧化物燃料電池材料固體氧化物燃料電池由三部分組成：電解質(zhì)、陰極、陽(yáng)極，陰、陽(yáng)極因功能的差異

4、而組成不同。.7陰極材料陰極材料 電池中的陰極又稱為空氣電極，即會(huì)暴露在氧氣中。它的主要作用是集流體集流體并有極高的還原氧化的點(diǎn)催化活性點(diǎn)催化活性。陰陰極極材材料料的的要要求求 有高額電子電導(dǎo)率 氣體透過(guò)率大 高溫時(shí)熱和化學(xué)穩(wěn)定性 與固體電解質(zhì)膜有良好的相容性和附著性 有比較理想的孔隙率 價(jià)格適中當(dāng)前使用的最為廣泛的陰極材料是摻有鑭的氧化錳，即LaLa1-1-X XSrxMnOSrxMnO3 3(LSM)(LSM)。LSM具有在氧化氣氛中電子電導(dǎo)率高，與YSZ化學(xué)相容性好等特點(diǎn)。.8電池中的陽(yáng)極又稱為燃料電極，它處在還原的氣氛之中。主要作用是實(shí)現(xiàn)燃料的電化學(xué)催化氧化催化氧化，把燃料氧化釋放出的

5、電子轉(zhuǎn)移電子轉(zhuǎn)移到外電路去，導(dǎo)入和排出氣體導(dǎo)入和排出氣體。陽(yáng)極材料陽(yáng)極材料陽(yáng)陽(yáng)極極材材料料的的要要求求 有足夠的電子電導(dǎo)率，同時(shí)具有一定的離子電導(dǎo)率，以擴(kuò)大電極反應(yīng)面積； 在還原性氣氛中可長(zhǎng)時(shí)間工作，保持尺寸及微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無(wú)破壞性相變； 與電解質(zhì)熱膨脹匹配，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 具有多孔結(jié)構(gòu)，從而保證反應(yīng)氣體的輸運(yùn)； 對(duì)陽(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng)有良好的催化活性。常用的陽(yáng)極催化劑有Ni、Fe、Co、Pt等，其中金屬Ni具有高的活性、價(jià)格低的特點(diǎn)，應(yīng)用最廣泛。.9 陽(yáng)極極主要由兩種材料組成：一是金屬；第二種對(duì)大部分電池來(lái)說(shuō)是和電解質(zhì)相同的材料。.10固體電解質(zhì)材料固體電解質(zhì)材料SOFC的關(guān)鍵是固體電解質(zhì)，固體

6、電解質(zhì)性能的好壞將決定燃料電池性能的優(yōu)劣。(1)較高的氧離子電導(dǎo)率，忽略電子電導(dǎo)率較高的氧離子電導(dǎo)率，忽略電子電導(dǎo)率；(2)高溫時(shí)有一定的相穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度；(3)氣密性，要求其達(dá)到理論密度的95以上；(4)良好的抗熱震動(dòng)性；(5)對(duì)于反應(yīng)氣體的化學(xué)穩(wěn)定性：(6)固體電解質(zhì)薄膜與電極和聯(lián)接材料間的熱膨脹系數(shù)的匹配。對(duì)對(duì)電電解解質(zhì)質(zhì)的的要要求求.11目前可作為SOFC固體電解質(zhì)材料主要有3類：氧化鋯系電解質(zhì)；氧化鈰系電解質(zhì)；LaGaO3鈣鈦礦系電解質(zhì)。.12 早在1839年英國(guó)人William Grove就報(bào)道了燃料電池的工作原理，但固體氧化物燃料電池的起步卻比較晚，1899年Nerest發(fā)現(xiàn)了

7、固體氧化物電解質(zhì)。 1937年Baur和Preis首次操作固體氧化物燃料電池，其工作溫度為1000。自此，固體氧化物燃料電池取得了很大的進(jìn)展。 固體氧化物燃料電池主要為管式管式、平板式平板式、瓦楞式和其它新型結(jié)構(gòu)。SOFC國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r.13管式管式SOFCSOFC管式結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池組（a）單體電池； （b）單電池間的連接 管型SOFC電池組由一端封閉的管狀單電池以串聯(lián)、并聯(lián)方式組裝而成。 每個(gè)單電池從內(nèi)到外由多孔支撐管、空氣電極、固體電解質(zhì)薄膜和金屬陶瓷陽(yáng)極組成。 多孔管起支撐作用，并允許空氣自由通過(guò)，到達(dá)空氣電極。.14管式管式SOFCSOFC的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)： 單電池間的

8、連接體設(shè)在還原氣氛一側(cè)，這樣可使用廉價(jià)金屬材料作電流收集體。 單電池采用串聯(lián)、并聯(lián)方式組合在一起，可以避免當(dāng)某一電池?fù)p壞時(shí)，電池組完全失效。 電池組裝相對(duì)簡(jiǎn)單，容易通過(guò)電池單元之間并聯(lián)和串聯(lián)組合成大功率的電池組。 管型SOFC一般在很高的溫度(900-1000)下進(jìn)行操作，主要用于固定電站系統(tǒng)，所以高溫SOFC一般采用管型結(jié)構(gòu)。管式管式SOFCSOFC的缺點(diǎn)：的缺點(diǎn)：電流通過(guò)電池的路徑較長(zhǎng)，限制了SOFC的性能。 .15管式管式SOFCSOFC發(fā)展?fàn)顩r發(fā)展?fàn)顩r 西屋西屋(Westinghouse) (Westinghouse) 公司公司美國(guó)西屋公司首先通過(guò)擠壓成型方法制備多孔氧化鋁或復(fù)合氧化鋯

9、支撐管，然后采用電化學(xué)氣相沉積方法制備厚度在幾十到100m的電解質(zhì)薄膜和電極薄膜。1987年，該公司在日本安裝了25kW級(jí)發(fā)電和余熱供暖SOFC系統(tǒng)。1997年12月，西門(mén)子西屋公司在荷蘭安裝了第一組100kW管狀SOFC系統(tǒng)，截止到2000年底關(guān)閉，累計(jì)工作了16612小時(shí)，能量效率為46%。.16CHP100kW Siemens GeneratorCHP100kW Siemens Generator.172002年5月，西門(mén)子西屋公司又與加州大學(xué)合作，在加州安裝了第一套220kWSOFC與氣體渦輪機(jī)聯(lián)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)獲得的能量轉(zhuǎn)化效率為58%。 除了西屋公司外，日本三菱重工長(zhǎng)崎造船所、九州

10、電力公司和東陶公司、德國(guó)海德堡中央研究所等也進(jìn)行了千瓦級(jí)管狀結(jié)構(gòu)SOFC發(fā)電試驗(yàn)。SIEMENS PH200kW SOFC Power System.18日本新型低溫固體氧化物燃料電池日本新型低溫固體氧化物燃料電池日本的產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜和研究所(AIST)及美國(guó)的科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的研究小組研發(fā)出直接利用各種碳?xì)浠衔锶剂喜⒏郊由洗呋瘜樱稍?50 發(fā)電的微小型低溫固體氧化物燃料電池(LTSOFC)。管狀微小型管狀微小型SOFC電池單體：電池單體：電解質(zhì)為二氧化鈰陶瓷陽(yáng)極材料為鎳基二氧化鈰陶瓷陰極材料為含有鑭鈷氧化鈰的陶瓷材料半徑為1.8mm溫度（）450500550輸出功率密度（W/cm2）0.10

11、.40.45直接使用甲垸燃料.19平板式平板式SOFCSOFC 平板型SOFC的空氣電極空氣電極/YSZ/YSZ固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)/ /燃料電極燃料電極燒結(jié)成一體，組成“三合一”結(jié)構(gòu)，其間用開(kāi)設(shè)導(dǎo)氣溝槽的雙極板連接，使其間相互串聯(lián)構(gòu)成電池組。平板式SOFC的結(jié)構(gòu).20平板式平板式SOFCSOFC的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)： 相對(duì)于管式設(shè)計(jì)，平板式設(shè)計(jì)省去了阻礙氣體流動(dòng)的支撐管，有更好的性能及更高的功率密度。 “三合一”組件制備工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低。 由于電流收集均勻，流經(jīng)路徑短，使平板型電池的輸出功率密度較管式高。平板式平板式SOFCSOFC的缺點(diǎn)：的缺點(diǎn)： 密封困難、抗熱循環(huán)性能差及難以組裝成大功率電池組

12、。密封困難、抗熱循環(huán)性能差及難以組裝成大功率電池組。但是，當(dāng)SOFC的操作溫度降低到600一800后，可以在很大程度上擴(kuò)展電池材料的選擇范圍、提高電池運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，降低電池系統(tǒng)的制造和運(yùn)行成本。.21平板式平板式SOFCSOFC發(fā)展?fàn)顩r發(fā)展?fàn)顩r 平板式SOFC由于制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單和電池功率密度高的原因,近幾年成為國(guó)際SOFC 研究領(lǐng)域的主流,全球約70%的SOFC研究單位集中在平板式SOFC上。 加拿大的環(huán)球熱電公司（Global Thermoelectric Inc.）、美國(guó)GE等公司在開(kāi)發(fā)平板型SOFC上取得進(jìn)展。環(huán)球熱電公司獲得的功率密度，在700運(yùn)行時(shí)，達(dá)到0.723W/cm3。2000年6月，完成了1.35kW電池系統(tǒng)運(yùn)行1100小時(shí)試驗(yàn)。歐洲德國(guó)西門(mén)子于1995年開(kāi)發(fā)出10kW級(jí)平板型SOFC，氧化劑為氧，如果采用空氣為氧化劑，則功率為5kW；1996年推出氧化劑為空氣的7.2kW級(jí)模塊。德國(guó)尤里希研究中心，F(xiàn)raunhofer陶瓷技術(shù)和燒結(jié)材料研究院等都獲得了數(shù)千瓦級(jí)的功率輸出。.221李永峰,蕈新法,林維明. 周體氧化物燃料電池的現(xiàn)狀和未來(lái)J. 電源技術(shù),2002,26(6):462-4652史可順.中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料及其制備工藝的研究發(fā)展趨勢(shì)J. 硅酸鹽學(xué)報(bào)