固体氧化物燃料电池.pptVIP

固体氧化物燃料电池 一、含义 固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种等温、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。 二、工作原理 电池含有阴阳两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成，氢气和氧气（空气）分别由阳极和阴极进入燃料电池。经催化剂的作用，氢气分解为氢离子和两个电子，其中氢离子迁移到薄膜的另一边，电子则经外电路形成电流后到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氢离子、氧气、电子发生反应生成水。因此水是反应的唯一排放物。 三、电池结构 由于是全固体的结构，固体氧化物燃料电池具有多样性的电池结构，以满足不同需求。主要电池结构有管式、平板式、套管型、单块叠层结构及热交换一体化的HEXIS结构等等。不同结构类型的SOFC在结构、性能及制备等方面各具优缺点。 管式SOFC 管状结构SOFC是最早发展的一种形式，也是目前较为成熟的一种形式。单电池由一端封闭、一端开口的管子构成，如图2a所示。最内层是多孔支撑管，由里向外依次是阴极、电解质和阳极薄膜。氧气从管芯输入，燃料气通过管子外壁供给。?目前管状结构单电池已经运行了数万小时。单电池通过阴、阳极间连接形成电池堆，如左图所示。 ■管型SOFC的优点： 单电池间的连接体设在还原气氛一侧，这样可使用廉价的金属材料作电流收集体。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。管型SOFC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。管型SOFC一般在很高的温度下操作，主要用于固定电站系统，所以高温SOFC一般采用管型结构。 ■管型SOFC的缺点： 电流通过的路径较长，限制了SOFC的性能。 平板型SOFC 平板型固体氧化物燃料电池的几何形状简单，其设计形状使得制作工艺大为简化。平板式SOFC结构组成如图3a所示。阳极、电解质、阴极薄膜组成单体电池，两边带槽的连接体连接相邻阴极和阳极，并在两侧提供气体通道，同时隔开两种气体。 ■平板型SOFC的优点： “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。 ■平板型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600~800℃后，可以在很大程度上扩展电池采用的选择范围、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。 四、特点 (1) 运行温度高（一般为800－1000℃），阴、阳极的化学反应速率大，并接近于热力学平衡，电极处的极化阻抗小，可以通过大的电流密度，不需要贵重的催化剂； (2) 由于固体氧化物电解质的透气性很低，电子电导率低，开路时电压可以达到理论值的96％； (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。 五、SOFC的国内外研究与开发现状 管型SOFC是目前最接近商业化的SOFC发电技术。西 门子-西屋动力公司（SWPC）； 日本的Kansai电力公司的管型SOFC已经进行了10529h的高电流密度放电试验； 加拿大的Global热电公司在中温平板型SOFC研发领域具有举足轻重的地位； 中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学物理研究所、中国科技大学等正在进行平板型SOFC的研发。 我国SOFC 的研制始于1971 年,当时中科院上海硅酸盐研究所开展SOFC 的电解质材料和电极材料的研究. 近几年来,国内吉林大学,清华大学,华南理工大学,科技大学,中国科学院物理研究所,上海硅酸盐所,北京化冶所和大连化物所分别开展SOFC 的相关材料,单电池组装及测试方面的研究工作. 上海硅酸盐所在氧化锆电解质,电极材料和SOFC 单电池制备研究方面开展了大量的工作,大连化物所90 年代初开始固体氧化物燃料电池究,Pt/YSZ ,LSM/YSZ ,Ni2YSZ 等电极制备,性能优化以及电极上电化学过程进行了大量深入的研究 ,提出LSM 电极中氧空位的形成机理,LSM + YSZ 复合电极中YSZ 的作用机理 . 研制出平板式单电池,用H2 或CH4 作燃料功率密度达到0. 15 W/ cm2. 目前