固体氧化物燃料电池

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,固体氧化物燃料电池,（,Solid Oxide Fuel Cell,）,1,2,3,4,1,目录,固体氧化燃料电池原理,固体氧化物燃料电池特点,固体氧化物燃料电池材料,SOFC,国际发展状况,固体氧化物燃料电池,第一代燃料电池,(,磷酸盐酸性燃料电池,）,第二代燃料电池,(,熔融碳酸盐燃料电池,）,固体氧化物燃料电池,(SOFC),属于,第三代燃料电池,，是一种在,中高温,下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的,全固态,化学发电装置。,阳极反应：,H,2,+O,2-,H,2,O+2e,-,阴极反应,:,O,2,+4e,-,2O,2-,在阴极，氧分子得到电子还原为氧离子，氧离子在氧浓度差和电位差作用下，通过电解质中的氧空穴定向迁移，到达阳极后与燃料发生氧化反应。,固体氧化物燃料电池采用,固体氧化物,为电解质。固体氧化物在高温下具有传递,O,2-,的能力，在电池中起传递,O,2-,和分离燃料和氧化剂的作用。,固体氧化物燃料电池原理,从原理上讲，固体氧化物燃料电池是最理想的燃料电池之一，它具有如下的优点：,（,1,）,工作温度高,（,800-1000,0,C,）,高温可以保证燃料的快速氧化，且,不需要昂贵的电催化剂；,（,2,）,SOFC,的工作电压可以达到理论开路电压的,96%,，,由于固体氧化物电解质的透气性很低，电子电导率低；,（,3,）由于,SOFC,运行温度高，便于利用高温废气，可,实现热电联产,，燃料利用率高；,（,4,）,全固体结构,，避免了液态电解质对材料的腐蚀，解决了电解液的控制问题；,（,5,）氧化物电解质很稳定，抗毒性好。电极有相对较强的抗污染能力；,（,6,）,可使用多种燃料,，包括直接使用碳氢化合物；,（,7,）不要求外围设备条件，诸如不需要湿度控制、空气调节等。,固体氧化物燃料电池特点,固体氧化物燃料电池材料,固体氧化物燃料电池由三部分组成：电解质、阴极、阳极，阴、阳极因功能的差异而组成不同。,阴极材料,电池中的阴极又称为空气电极，即会暴露在氧气中。它的主要作用是,集流体,并有极高的还原氧化的,点催化活性,。,阴极材料的要求,有高额电子电导率,气体透过率大,高温时热和化学稳定性,与固体电解质膜有良好的相容性和附着性,有比较理想的孔隙率,价格适中,当前使用的最为广泛的阴极材料,是掺有镧的氧化锰，即,La,1-X,SrxMnO,3,(LSM),。,LSM,具有在氧化气氛中电子电导率高，与,YSZ,化学相容性好等特点。,电池中的阳极又称为燃料电极，它处在还原的气氛之中。主要作用是实现,燃料的电化学,催化氧化,，,把燃料氧化释放出的,电子转移,到外电路去,，,导入和排出气体,。,阳极材料,阳极材料的要求,有足够的电子电导率，同时具有一定的离子电导率，以扩大电极反应面积；,在还原性气氛中可长时间工作，保持尺寸及微结构稳定，无破坏性相变；,与电解质热膨胀匹配，不发生化学反应；,具有多孔结构，从而保证反应气体的输运,；,对阳极的电化学反应有良好的催化活性。,常用的阳极催化剂有,Ni,、,Fe,、,Co,、,Pt,等，其中金属,Ni,具有高的活性、价格低的特点，应用最广泛。,阳极极主要由两种材料组成：一是金属；第二种对大部分电池来说是和电解质相同的材料。,固体电解质材料,SOFC,的关键是固体电解质，固体电解质性能的好坏将决定燃料电池性能的优劣。,(1),较高的氧离子电导率，忽略电子电导率,；,(2),高温时有一定的相稳定性和机械强度；,(3),气密性，要求其达到理论密度的,95,以上；,(4),良好的抗热震动性；,(5),对于反应气体的化学稳定性：,(6),固体电解质薄膜与电极和联接材料间的热膨胀系数的匹配,。,对电解质的要求,目前可作为,SOFC,固体电解质材料主要有,3,类：氧化锆系电解质；氧化铈系电解质；,LaGaO,3,钙钛矿系,电解质。,早在,1839,年英国人,William Grove,就报道了燃料电池的工作原理，但固体氧化物燃料电池的起步却比较晚，,1899,年,Nerest,发现了固体氧化物电解质。,1937,年,Baur,和,Preis,首次操作固体氧化物燃料电池，其工作温度为,1000,。自此，固体氧化物燃料电池取得了很大的进展。,固体氧化物燃料电池主要为,管式,、,平板式,、瓦楞式和其它新型结构。,SOFC,国际发展状况,管式,SOFC,管式结构固体氧化物燃料电池组,（,a,）单体电池；（,b,）单电池间的连接,管型,SOFC,电池组由一端封闭的管状单电池以串联、并联方式组装而成。,每个单电池从内到外由多孔支撑管、空气电极、固体电解质薄膜和金属陶瓷阳极组成。,多孔管起支撑作用，并允许空气自由通过，到达空气电极。,管式,SOFC,的优点：,单电池间的连接体设在还原气氛一侧，这样可使用廉价金属材料作电流收集体。,单电池采用串联、并联方式组合在一起，可以避免当某一电池损坏时，电池组完全失效。,电池组装相对简单，容易通过电池单元之间并联和串联组合成大功率的电池组。,管型,SOFC,一般在很高的温度,(900-1000),下进行操作，主要用于固定电站系统，所以高温,SOFC,一般采用管型结构。,管式,SOFC,的缺点：,电流通过电池的路径较长，限制了,SOFC,的性能。,管式,SOFC,发展状况,西屋,(Westinghouse),公司,美国西屋公司首先通过挤压成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到,100m,的电解质薄膜和电极薄膜。,1987,年，该公司在日本安装了,25kW,级发电和余热供暖,SOFC,系统。,1997,年,12,月，西门子西屋公司在荷兰安装了第一组,100kW,管状,SOFC,系统，截止到,2000,年底关闭，累计工作了,16612,小时，能量效率为,46%,。,CHP100kW Siemens Generator,2002,年,5,月，西门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套,220kWSOFC,与气体涡轮机联动发电系统，当时获得的能量转化效率为,58%,。,除了西屋公司外，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中央研究所等也进行了千瓦级管状结构,SOFC,发电试验。,SIEMENS PH200kW SOFC Power System,日本新型低温固体氧化物燃料电池,日本的产业技术综和研究所,(AIST),及美国的科罗拉多矿业学院的研究小组研发出直接利用各种碳氢化合物燃料并附加上催化层，可在,450,发电的微小型低温固体氧化物燃料电池,(LTSOFC),。,管状微小型,SOFC,电池单体：,电解质为二氧化铈陶瓷,阳极材料为镍基二氧化铈陶瓷,阴极材料为含有镧钴氧化铈的陶瓷材料,半径为,1.8mm,温度（,）,450,500,550,输出功率密度（,W/cm,2,）,0.1,0.4,0.45,直接使用甲垸燃料,平板式,SOFC,平板型,SOFC,的,空气电极,/YSZ,固体电解质,/,燃料电极,烧结成一体，组成“三合一”结构，其间用开设导气沟槽的双极板连接，使其间相互串联构成电池组。,平板式,SOFC,的结构,平板式,SOFC,的优点：,相对于管式设计，平板式设计省去了阻碍气体流动的支撑管，有更好的性能及更高的功率密度。,“三合一”组件制备工艺简单，造价低。,由于电流收集均匀，流经路径短，使平板型电池的输出功率密度较管式高。,平板式,SOFC,的缺点：,密封困难、抗热循环性能差及难以组装成大功率电池组。,但是，当,SOFC,的操作温度降低到,600,一,800,后，可以在很大程度上扩展电池材料的选择范围、提高电池运行的稳定性和可靠性，降低电池系统的制造和运行成本。,平板式,SOFC,发展状况,平板式,SOFC,由于制备工艺相对简单和电池功率密度高的原因,近几年成为国际,SOFC,研究领域的主流,全球约,70%,的,SOFC,研究单位集中在平板式,SOFC,上。,加拿大的环球热电公司（,Global Thermoelectric Inc.,）、美国,GE,等公司在开发平板型,SOFC,上取得进展。,环球热电公司获得的功率密度，在,700,运行时，达到,0.723W/cm,3,。,2000,年,6,月，完成了,1.35kW,电池系统运行,1100,小时试验。,欧洲德国西门子于,1995,年开发出,10kW,级平板型,SOFC,，氧化剂为氧，如果采用空气为氧化剂，则功率为,5kW,；,1996,年推出氧化剂为空气的,7.2kW,级模块。,德国尤里希研究中心，,Fraunhofer,陶瓷技术和烧结材料研究院等都获得了数千瓦级的功率输出。,1,李永峰,蕈新法,林维明,.,周体氧化物燃料电池的现状和未来,J.,电源技术,2002,26(6):462-465,2,史可顺,.,中温固体氧化物燃料电池电解质材料及其制备工艺的研究发展趋势,J.,硅酸盐学报,2008,36(11):1676-1688,3,唐先敏,钱晓良,等固体氧化物燃料电池,J.,电源技术,1995,19(2):40,4,陈梅,.,日本新型低温固体氧化物燃料电池,J.,电源技术,2011,35(3),5,李箭,.,固体氧化物燃料电池,:,发展现状与关键技术,J.,功能材料与器件学报,2007,13(6),6,周利,程谟杰,衣宝廉,.,管型固体氧化物燃料电池技术进展,J.,电池,2005,35(1),参考文献,谢谢！,