固体氧化物燃料电池

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1、固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池（ Solid oxide fuel cell- SOFC ）燃料电池分类燃料电池分类n碱性燃料电池碱性燃料电池(Alkaline fuel cell -AFC) -氢氧化钾氢氧化钾/钠钠为电解质为电解质n磷酸燃料电池磷酸燃料电池(Phosphoric acid fuel cell-PAFC) -浓磷酸浓磷酸为电解质为电解质n质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 (Proton exchange membrane fuel cell-PEMFC) -全氟或者部分氟化的磺酸型质子交换膜全氟或者部分氟化的磺酸型质子交换膜n固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 (

2、Solid oxide fuel cell- SOFC) -氧化钇稳定的氧化锆膜为氧离子导体氧化钇稳定的氧化锆膜为氧离子导体n熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池 (Molten carbonate fuel cell MCFC) -熔融的锂钾或锂钠碳酸盐为电解质熔融的锂钾或锂钠碳酸盐为电解质1231899 年，年，Nernst发明了固体氧化物电解质而宣告开始发明了固体氧化物电解质而宣告开始1937年，年，Baur 和和Preis制造了第一个在制造了第一个在1000下运行的下运行的 陶瓷燃料电池陶瓷燃料电池1962 年美国的年美国的Weissbart 和和Ruka首次用甲烷作燃料首次用甲烷作燃

3、料, 为为 SOFC 的发展奠定了基础的发展奠定了基础1986年年, 400W管式管式SOFC 电池组在田纳西洲运行成功电池组在田纳西洲运行成功1989 年又在日本东京、大阪煤气公司各安装了年又在日本东京、大阪煤气公司各安装了3KW级级 列管式列管式SOFC发电机组发电机组, 成功连续运行长达成功连续运行长达5000h, 这标志这标志着着SOFC 研究从实验室规模向商业化发展又迈近了一步研究从实验室规模向商业化发展又迈近了一步SOFC的发展：的发展：1. SOFC工作原理工作原理氧化钇稳定的氧化锆膜作氧化钇稳定的氧化锆膜作为电解质，在高温下为电解质，在高温下(900-1000)传递传递O2-，

4、在电池中，在电池中起着起着传导传导O2-、分隔氧化剂、分隔氧化剂和燃料的和燃料的作用。作用。在阴极，氧分子得到电子在阴极，氧分子得到电子还原为氧离子；氧离子在还原为氧离子；氧离子在电电解质隔膜两侧电势差与氧浓解质隔膜两侧电势差与氧浓度差驱动力度差驱动力的作用下，通过的作用下，通过电解质隔膜中的氧空位，定电解质隔膜中的氧空位，定向跃迁到阳极侧，并与燃料向跃迁到阳极侧，并与燃料进行氧化反应。进行氧化反应。外电路外电路优点：优点：n能量转换效率高能量转换效率高n固态电解质对硫污染的具有较高的耐受性更稳定固态电解质对硫污染的具有较高的耐受性更稳定n无污染，可实现零排放无污染，可实现零排放n全固态，无液

5、态电极腐蚀和电解质液渗漏等问题全固态，无液态电极腐蚀和电解质液渗漏等问题n高温操作高温操作, , 余热利用率高余热利用率高n不需要贵金属催化剂不需要贵金属催化剂SOFC分类分类p平板型平板型SOFCp管型管型SOFC平板型平板型SOFCSOFC 平板型平板型SOFC中中空气空气/YSZ固体固体电解质电解质/燃料电极燃料电极烧结成一体，烧结成一体，组成组成“三合一三合一”结构，其间用结构，其间用开设导气沟槽的双极板开设导气沟槽的双极板连接，连接，使其间相互串联构成电池组。使其间相互串联构成电池组。-氧化钇稳定的氧化锆膜氧化钇稳定的氧化锆膜-YSZ平板型平板型SOFC的优点：的优点： “三合一三合

6、一”组件制备组件制备工艺简单工艺简单，造价低造价低，电流收集均匀，电流收集均匀，流经路径短流经路径短，使平板型电池的输出功率密度较管式，使平板型电池的输出功率密度较管式高高。平板型平板型SOFC的缺点：的缺点： 密封困难、抗热循环性能差、难以组装成大功率电池密封困难、抗热循环性能差、难以组装成大功率电池组。组。管型管型SOFC管式管式SOFC电池组由电池组由一端封闭一端封闭的管状单电池的管状单电池以以串联、并联串联、并联方式组装而成。每个单电池方式组装而成。每个单电池由内到外由由内到外由多孔支撑管、空多孔支撑管、空气电极、固体电解质薄膜和气电极、固体电解质薄膜和金属陶瓷阳极金属陶瓷阳极组组成。

7、成。管型管型SOFC的优点：的优点： 单电池间的连接体设在还原气氛一侧，这样可使用廉价的金属材料作电流收单电池间的连接体设在还原气氛一侧，这样可使用廉价的金属材料作电流收集体。集体。单电池采用串联、并联方式组合到一起，可以避免当某一单电池损坏时电池单电池采用串联、并联方式组合到一起，可以避免当某一单电池损坏时电池组完全失效。用镍毡将单电池的连接体联结起来，可以减小单电池间的应力。组完全失效。用镍毡将单电池的连接体联结起来，可以减小单电池间的应力。电池组相对简单，容易通过电池单元之间并联和串联组成大功率的电池组。电池组相对简单，容易通过电池单元之间并联和串联组成大功率的电池组。一般在很高的温度下

8、操作，主要用于固定电站，高温一般在很高的温度下操作，主要用于固定电站，高温SOFC一般采用管型结构。一般采用管型结构。管式管式SOFC的缺点：的缺点： 电流通过的路径较长，限制了电流通过的路径较长，限制了SOFC的性能。的性能。2. SOFC的结构的结构阳极阳极阴极阴极电解质电解质 2.1 2.1 阳极阳极阳极的主要作用是为燃料的电化学氧化提供反应场所阳极的主要作用是为燃料的电化学氧化提供反应场所u必须在还原气氛中稳定必须在还原气氛中稳定u具有足够高的具有足够高的电子电导率和电子电导率和对燃料氧化反应对燃料氧化反应的的催化活性催化活性u必须具有必须具有足够高的孔隙率足够高的孔隙率，以确保燃料的

9、供应及反应产物，以确保燃料的供应及反应产物的排除的排除u阳极材料还必须与其它电池材料在室温至操作温度乃至更阳极材料还必须与其它电池材料在室温至操作温度乃至更高的制备温度范围内化学上相容、热膨胀系数相匹配高的制备温度范围内化学上相容、热膨胀系数相匹配SOFCSOFC阳极材料的基本要求：阳极材料的基本要求：（1 1）稳定性稳定性 在燃料气氛中，阳极材料必须在化学性质、在燃料气氛中，阳极材料必须在化学性质、形貌和尺度上保持稳定。形貌和尺度上保持稳定。（2 2）电导率电导率 阳极材料在还原气氛中要具有足够高的电子阳极材料在还原气氛中要具有足够高的电子导电率，以降低阳极的导电率，以降低阳极的欧姆极化欧姆

10、极化，同时还具备高的氧离子，同时还具备高的氧离子导电率，以实现电极立体化。导电率，以实现电极立体化。（3 3）相容性相容性 阳极材料与相接触的其它电池材料必须在室阳极材料与相接触的其它电池材料必须在室温至制备温度范围内化学上相容。温至制备温度范围内化学上相容。（4 4）热膨胀系数热膨胀系数 阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系数相匹配。数相匹配。（5 5）孔隙率孔隙率 阳极必须具有足够高的孔隙率，以确保阳极必须具有足够高的孔隙率，以确保燃燃料的供应及反应产物料的供应及反应产物的排出。的排出。（6 6）催化活性催化活性 阳极材料必须对燃料的电化学氧化反应阳极材料必

11、须对燃料的电化学氧化反应具有足够高的催化活性。具有足够高的催化活性。（7 7）阳极还必须具有）阳极还必须具有强度高、韧性好、加工容易、成本低强度高、韧性好、加工容易、成本低的特点。的特点。阳极材料及性能阳极材料及性能阳极催化剂有：阳极催化剂有：镍、镍、钴和贵金属材料钴和贵金属材料，其，其中金属镍具有高活性、中金属镍具有高活性、价格低的特点，应用价格低的特点，应用最广泛。在最广泛。在SOFCSOFC中，中，阳极通常由阳极通常由金属镍及金属镍及氧化钇稳定的氧化锆氧化钇稳定的氧化锆（YSZYSZ）骨架骨架组成。组成。（一）（一）Ni-YSZNi-YSZ金属陶瓷阳极金属陶瓷阳极（1）Ni-YSZ 金属