固體氧化物燃料電池

1、.固體氧化物染料電池固體氧化物染料電池 .內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介發(fā)展歷史固體氧化物燃料電池簡介電池工作原理電池組成應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn).固體氧化物燃料電池的發(fā)展固體氧化物燃料電池的發(fā)展二十世紀(jì)80年代以后，美國西屋用擠出成型的方法制備多孔氧化鋁或復(fù)合氧化鋯支撐管，然后采用電化學(xué)氣象沉積方法制備厚度在幾十到100m的電解質(zhì)和電極薄膜。1987年，該公司在日本安裝的25kw級發(fā)電和余熱供暖SOFC系統(tǒng)，到1997年3月成功運(yùn)行了1.3萬小時(shí)。1997年12月，西門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%，2002年5月，西門西屋又與加

2、州大學(xué)合作，在加州安裝了一套220kwSOFC與氣體渦輪機(jī)聯(lián)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，目前獲得的能量轉(zhuǎn)化效率為58%，預(yù)測有望達(dá)到70%。.加拿大的環(huán)球熱電公司，美國GE等公司在開發(fā)平板型SOFC上取得進(jìn)展，目前正在對千瓦級模塊進(jìn)行試運(yùn)行。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/cm2。2000年6月，完成了1135kw電池系統(tǒng)運(yùn)行1100小時(shí)試驗(yàn)日本工業(yè)技術(shù)院電子技術(shù)綜合研究所在1984年進(jìn)行了500w發(fā)電試驗(yàn)，輸出最大功率為1.2kw，1992年開始，富士電機(jī)綜合研究所和三洋電機(jī)共同研究，并在2000年9月11日實(shí)現(xiàn)了功率輸出為15kw的平板式SOFC連續(xù)運(yùn)行1000小時(shí)無衰減。.

3、在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，SOFC發(fā)展也很活躍，奔馳汽車制造公司1996年對2.2kw級模塊試運(yùn)行達(dá)6000小時(shí)。2001年2月16日，由BMW與Delphi Automotive Systems Corporation合作近兩年研制的第一輛由SOFC作為輔助電源系統(tǒng)的汽車在慕尼黑問世，作為第一代SOFC/APU 系統(tǒng)，其功率為3KW，電壓輸出為21KV，其燃料消耗比傳統(tǒng)汽車降低46%.固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(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)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認(rèn)為是在未來會(huì)與質(zhì)

4、子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。.氧離子電導(dǎo)燃料電池化學(xué)反應(yīng)示意圖氧離子電導(dǎo)燃料電池化學(xué)反應(yīng)示意圖.和一般染料電池一樣，和一般染料電池一樣，SOFCSOFC也是把反應(yīng)物的化也是把反應(yīng)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，只不過工作學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，只不過工作溫度較高，一般在溫度較高，一般在80010008001000，由陽極、陰極，由陽極、陰極及兩級間的電解質(zhì)組成。在陽極一側(cè)持續(xù)通入及兩級間的電解質(zhì)組成。在陽極一側(cè)持續(xù)通入燃燃料氣料氣，如，如 H H2 2，CHCH4 4、，、，煤氣等，具有催化作用的陽煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附氣體例如氫

5、，并通過陽極的多空結(jié)構(gòu)極表面吸附氣體例如氫，并通過陽極的多空結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽極與電解質(zhì)的界面，在陰極一側(cè)持續(xù)通擴(kuò)散到陽極與電解質(zhì)的界面，在陰極一側(cè)持續(xù)通入入氧氣或空氣氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得，由于陰極本身的催化作用，使得O O2 2得到電子變得到電子變?yōu)闉镺 O2-2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體離子導(dǎo)體，由于進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。外

6、電路回到陰極。SOFC工作原理工作原理.SOFC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)SOFC陽極（anode）陰極（cathode）固體電解質(zhì)（solidelectrolyte）互連接（interconnector）.10. 金屬Pb, Pt，Rh 金屬陶瓷Pt-SSZ金屬及金屬陶瓷 Mn基材料 LSM（錳酸鑭） Co基材料 鈷酸鑭 Fe基，Cu基材料鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物 Ru氧化物其他陰極材料陰極材料陰極材料.固體氧化物電解質(zhì)固體氧化物電解質(zhì) 是最有希望的SOFC電解質(zhì)材料。但材料制備，低溫?zé)Y(jié)，薄膜化難度大。 低溫下具有很高的離子電導(dǎo)，合成溫度低，易于燒成致密陶瓷，對減小電池內(nèi)阻和制作然來哦電池十分有利 主要有兩種摻雜類

7、型：1以堿金屬氧化物和稀土金屬氧化物為代表的單摻雜 2雙稀土氧化物或者堿金屬氧化物與稀土氧化物混合摻雜 一是以Y2O3為代表的稀土金屬氧化物 二是以CaO為代表的堿金屬氧化物ZrO2基固體電解質(zhì)CeO2基電解質(zhì)LaGaO3基電解質(zhì)Bi2O3基電解質(zhì).固體氧化物燃料電池組固體氧化物燃料電池組單體燃料電池只能產(chǎn)生1V左右的電壓，期功率是有限的，為了獲取大功率SOFC，必須將若干個(gè)單電池以各種方式（串聯(lián)，并聯(lián)，混聯(lián)）組裝恒電池組，目前主要發(fā)展了管式結(jié)構(gòu)和平板式結(jié)構(gòu)兩種形式。另外還有整體式和分段式。.管狀結(jié)構(gòu)管狀結(jié)構(gòu)SOFC管狀結(jié)構(gòu)SOFC是最早發(fā)展的一種形式，單電池由一端封閉、一端開口的管子構(gòu)成，最

8、內(nèi)層 但是多孔支撐管，由里向外依次是陰極、電解質(zhì)和陽極薄膜。氧氣從管芯輸入，燃料電池通過管子外壁供給。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、陽極間連接成電池堆，陽極與連接體相連接形成串聯(lián)，陽極與陽極相連接形成并聯(lián)。管狀結(jié)構(gòu)式目前較為成熟的一種形式。.平板式結(jié)構(gòu)平板式結(jié)構(gòu)SOFC電池堆電池堆平板式結(jié)構(gòu)SOFC近幾年才引起了人們的關(guān)注，這種集合形狀簡單的設(shè)計(jì)使其制作工藝大為簡化。平板式SOFC由陽極、電解質(zhì)、陰極薄膜組成單體電池，兩邊帶槽的來接替連接相鄰陰極和陽極，并在兩側(cè)提供氣體通道，同時(shí)隔開兩種氣體。目前平板式SOFC也在進(jìn)行千瓦量集電池度的試驗(yàn)。平板式結(jié)構(gòu)電池堆中，電池串聯(lián)連接

9、，電流依次通過各薄層，路徑短，內(nèi)阻歐姆損失小，能量密度高，結(jié)構(gòu)靈活，氣體流通方式多，組元分開設(shè)備，工業(yè)簡便，組元分別組裝，電池質(zhì)量易于控制，電解質(zhì)薄膜話，可以降低工作溫度（700-800），從而可以采用金屬連接體。目前的難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)氣體密封，采用陶瓷-玻璃壓縮封閉，一造成層間裂紋，連接處電阻高，損失大。.陶瓷燃料電池單片平板型中溫固體氧化物染料電池 大面積樣機(jī)支撐復(fù)合膜實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，上硅所易貝硅谷總部安裝的兩臺(tái)昂貴的Bloom Energy設(shè)備。德國公司展出實(shí)用水平燃料電池氧化物燃料電池的應(yīng)用氧化物燃料電池的應(yīng)用.據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)11月17日報(bào)道，美國哈佛大學(xué)的科學(xué)家最近報(bào)告了其在固體氧化

10、物燃料電池（SOFCs）領(lǐng)域取得的兩項(xiàng)進(jìn)展：其一是電池中不再使用鉑材料；其二是將電池的運(yùn)行溫度降低至300攝氏度到500攝氏度之間。研究人員表示，基于SOFCs在更低的操作溫度、更豐富的燃料來源以及更便宜的材料方面取得的進(jìn)步，SOFCs可能很快成為一項(xiàng)主流技術(shù)，未來將能給手提電腦或手機(jī)供電。福特?？怂谷剂想姵仄囀疽鈭D燃料電池的眾多優(yōu)點(diǎn)吸引了廣大的科技人員，各國都投入了大量的財(cái)力、人力來研制新型的燃料電池。目前，國外正在試運(yùn)行100千瓦級第二代燃料電池發(fā)電站。日本已設(shè)計(jì)出用于旅館、辦公樓的50-500千瓦的現(xiàn)場試驗(yàn)室，可供空調(diào)、照明等用電，發(fā)電效率為30%-40%，再加上余熱的利用，總效率可達(dá)

11、60%-80%?？梢姡剂想姵氐膽?yīng)用面廣，前景看好.首款大型薄膜固體氧化物燃料電池問世 2011年5月25日的報(bào)道：美國哈佛大學(xué)（Harvard）工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS：School of Engineering and Applied Sciences）以及西能系統(tǒng)有限責(zé)任公司（SiEnergy Systems LLC）的材料科學(xué)家已演示了第一款宏觀尺度的薄膜固體氧化物燃料電池（SOFC：solid-oxide fuel cell）。微小金屬蜂窩提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)性因素，也用作集電器，制成的膜芯片5毫米寬，要把幾百個(gè)這樣的芯片集成到手掌大小的固體氧化物燃料電池硅片上。. (1)較高的電流

12、密度和功率密度； (2)陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質(zhì)內(nèi)阻降； (3)可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑； (4)避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問題； (5)能提供高質(zhì)余熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達(dá)80%左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)； (6)廣泛采用陶瓷材料作電解質(zhì)、陰極和陽極，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)； (7)陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運(yùn)行(6001000)，加快了電池的反應(yīng)進(jìn)行，還可以實(shí)現(xiàn)多種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部還原，簡化了設(shè)備氧化物染料電池的優(yōu)點(diǎn)氧化物染料電池的優(yōu)點(diǎn).氧化物染料電池存在的問題單電池材料 單電池主要

13、由陰極、電解質(zhì)和陽極組成。傳統(tǒng)的陰極材料是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(ABO3)的LaxSr1-xMnO3 (LSM)。除Sr以外，對其他A或B位置的摻雜元素也有廣泛的研究。在中低溫情況下，這類材料表現(xiàn)出電化學(xué)活性不足、電阻過高、缺乏離子導(dǎo)電性以及可能與電解質(zhì)材料反應(yīng)生成高電阻相等缺陷。目前，研究者們正在尋找其他具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料以取代LSM。另一個(gè)值得研究的方向是考慮采用貴金屬，如Pd，作為陰極材料。Pd是一個(gè)很好的氧化還原催化材料。但是，由于成本的原因，這方面的研究較鈣鈦礦陰極材料要少得多。.電池堆材料 這里所說的電池堆材料是指電堆中除單電池以外的材料，主要包括連接體材料、密封材料和界面材料。 當(dāng)SOFC在1000高溫工作時(shí)，連接體材料是Sr或其他元素?fù)诫s