固體氧化物燃料電池

關(guān)于固體氧化物燃料電池第1頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三一、含義固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，簡(jiǎn)稱SOFC）屬于第三代燃料電池，是一種等溫、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)化學(xué)發(fā)電裝置。

第2頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、工作原理

電池含有陰陽(yáng)兩個(gè)電極，分別充滿電解液，而兩個(gè)電極間則為具有滲透性的薄膜所構(gòu)成，氫氣和氧氣（空氣）分別由陽(yáng)極和陰極進(jìn)入燃料電池。經(jīng)催化劑的作用，氫氣分解為氫離子和兩個(gè)電子，其中氫離子遷移到薄膜的另一邊，電子則經(jīng)外電路形成電流后到達(dá)陰極。在陰極催化劑的作用下，氫離子、氧氣、電子發(fā)生反應(yīng)生成水。因此水是反應(yīng)的唯一排放物。第3頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三SOFC采用固體氧化物作為電解質(zhì)，在高溫下具有傳遞O2-的能力，在電池中起著傳導(dǎo)O2-和分隔氧化劑和燃料的作用。在陰極，氧分子得到電子還原為氧離子；氧離子在電解質(zhì)隔膜兩側(cè)電勢(shì)差與氧濃度差驅(qū)動(dòng)力的作用下，通過電解質(zhì)隔膜中的氧空位，定向躍遷到陽(yáng)極側(cè)，并與燃料進(jìn)行氧化反應(yīng)。第4頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三固體氧化物燃料電池工作原理示意圖第5頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三第6頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三三、電池結(jié)構(gòu)由于是全固體的結(jié)構(gòu)，固體氧化物燃料電池具有多樣性的電池結(jié)構(gòu)，以滿足不同需求。主要電池結(jié)構(gòu)有管式、平板式、套管型、單塊疊層結(jié)構(gòu)及熱交換一體化的HEXIS結(jié)構(gòu)等等。不同結(jié)構(gòu)類型的SOFC在結(jié)構(gòu)、性能及制備等方面各具優(yōu)缺點(diǎn)。第7頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三管式SOFC管狀結(jié)構(gòu)SOFC是最早發(fā)展的一種形式，也是目前較為成熟的一種形式。單電池由一端封閉、一端開口的管子構(gòu)成，如圖2a所示。最內(nèi)層是多孔支撐管，由里向外依次是陰極、電解質(zhì)和陽(yáng)極薄膜。氧氣從管芯輸入，燃料氣通過管子外壁供給。

目前管狀結(jié)構(gòu)單電池已經(jīng)運(yùn)行了數(shù)萬小時(shí)。單電池通過陰、陽(yáng)極間連接形成電池堆，如左圖所示。

第8頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三

■管型SOFC的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)坞姵亻g的連接體設(shè)在還原氣氛一側(cè)，這樣可使用廉價(jià)的金屬材料作電流收集體。單電池采用串聯(lián)、并聯(lián)方式組合到一起，可以避免當(dāng)某一單電池?fù)p壞時(shí)，電池組完全失效。用鎳氈將單電池的連接體聯(lián)結(jié)起來，可以減小單電池間的應(yīng)力。管型SOFC電池組相對(duì)簡(jiǎn)單，容易通過電池單元之間并聯(lián)和串聯(lián)組成大功率的電池組。管型SOFC一般在很高的溫度下操作，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)。

■管型SOFC的缺點(diǎn)：電流通過的路徑較長(zhǎng)，限制了SOFC的性能。第9頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三平板型SOFC平板型固體氧化物燃料電池的幾何形狀簡(jiǎn)單，其設(shè)計(jì)形狀使得制作工藝大為簡(jiǎn)化。平板式SOFC結(jié)構(gòu)組成如圖3a所示。陽(yáng)極、電解質(zhì)、陰極薄膜組成單體電池，兩邊帶槽的連接體連接相鄰陰極和陽(yáng)極，并在兩側(cè)提供氣體通道，同時(shí)隔開兩種氣體。

第10頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三■平板型SOFC的優(yōu)點(diǎn)：

“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?！銎桨逍蚐OFC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。但是，當(dāng)SOFC的操作溫度降低到600~800℃后，可以在很大程度上擴(kuò)展電池采用的選擇范圍、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。第11頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三四、特點(diǎn)(1)運(yùn)行溫度高（一般為800－1000℃），陰、陽(yáng)極的化學(xué)反應(yīng)速率大，并接近于熱力學(xué)平衡，電極處的極化阻抗小，可以通過大的電流密度，不需要貴重的催化劑；(2)由于固體氧化物電解質(zhì)的透氣性很低，電子電導(dǎo)率低，開路時(shí)電壓可以達(dá)到理論值的96％；(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)，燃料利用率高；(4)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，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。第12頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三五、SOFC的國(guó)內(nèi)外研究與開發(fā)現(xiàn)狀管型SOFC是目前最接近商業(yè)化的SOFC發(fā)電技術(shù)。西門子-西屋動(dòng)力公司（SWPC）；日本的Kansai電力公司的管型SOFC已經(jīng)進(jìn)行了10529h的高電流密度放電試驗(yàn)；加拿大的Global熱電公司在中溫平板型SOFC研發(fā)領(lǐng)域具有舉足輕重的地位；中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國(guó)科技大學(xué)等正在進(jìn)行平板型SOFC的研發(fā)。第13頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三我國(guó)SOFC的研制始于1971年,當(dāng)時(shí)中科院上海硅酸鹽研究所開展SOFC的電解質(zhì)材料和電極材料的研究.近幾年來,國(guó)內(nèi)吉林大學(xué),清華大學(xué),華南理工大學(xué),科技大學(xué),中國(guó)科學(xué)院物理研究所,上海硅酸鹽所,北京化冶所和大連化物所分別開展SOFC的相關(guān)材料,單電池組裝及測(cè)試方面的研究工作.上海硅酸鹽所在氧化鋯電解質(zhì),電極材料和SOFC單電池制備研究方面開展了大量的工作,大連化物所90年代初開始固體氧化物燃料電池究,Pt/YSZ,LSM/YSZ,Ni2YSZ等電極制備,性能優(yōu)化以及電極上電化學(xué)過程進(jìn)行了大量深入的研究,提出LSM電極中氧空位的形成機(jī)理,LSM+YSZ復(fù)合電極中YSZ的作用機(jī)理.研制出平板式單電池,用H2或CH4作燃料功率密度達(dá)到0.15W/cm2.第14頁(yè)，講稿共16頁(yè)，2023年5月2日，星期三目前,正開展中溫SOFC的研制,在多孔Ni2YSZ基膜上制備負(fù)載型YSZ膜(10～20μm)方面,已取得初步成效.中科院化冶所在1995年從俄羅斯引進(jìn)了20W塊狀疊層電池組進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn),并設(shè)計(jì)了一種新型SOFC結(jié)構(gòu),申請(qǐng)了專利.華南理工大學(xué)成功研制出瓦級(jí)管式SOFC單電池,吉林大學(xué)正承擔(dān)計(jì)委kW級(jí)SOFC電池組的研究工作.我國(guó)在