固體氧化物燃料電池ppt課件

1、.1固體氧化物染料電池固體氧化物染料電池 .2內容簡介內容簡介發(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用優(yōu)缺點.3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合氧化鋯支撐管，然后采用電化學氣象沉積方法制備厚度在幾十到100m的電解質和電極薄膜。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月成功運行了1.3萬小時。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年底關閉，累計工作了16612小時，能量效率為46%，2002年5月，西門西屋

2、又與加州大學合作，在加州安裝了一套220kwSOFC與氣體渦輪機聯(lián)動發(fā)電系統(tǒng)，目前獲得的能量轉化效率為58%，預測有望達到70%。.4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上取得進展，目前正在對千瓦級模塊進行試運行。環(huán)球熱電公司獲得的功率密度，在700運行時，達到0.723W/cm2。2000年6月，完成了1135kw電池系統(tǒng)運行1100小時試驗日本工業(yè)技術院電子技術綜合研究所在1984年進行了500w發(fā)電試驗，輸出最大功率為1.2kw，1992年開始，富士電機綜合研究所和三洋電機共同研究，并在2000年9月11日實現(xiàn)了功率輸出為15kw的平板式SOFC連續(xù)運行1000小時無

3、衰減。.5在汽車應用領域，SOFC發(fā)展也很活躍，奔馳汽車制造公司1996年對2.2kw級模塊試運行達6000小時。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%.6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存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環(huán)境友好地轉化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置。被普遍認為是

4、在未來會與質子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應用的一種燃料電池。.7氧離子電導燃料電池化學反應示意圖氧離子電導燃料電池化學反應示意圖.8和一般染料電池一樣，和一般染料電池一樣，SOFCSOFC也是把反應物的化也是把反應物的化學能直接轉化為電能的電化學裝置，只不過工作學能直接轉化為電能的電化學裝置，只不過工作溫度較高，一般在溫度較高，一般在80080010001000，由陽極、陰極，由陽極、陰極及兩級間的電解質組成。在陽極一側持續(xù)通入及兩級間的電解質組成。在陽極一側持續(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

5、面吸附氣體例如氫，并通過陽極的多空結構極表面吸附氣體例如氫，并通過陽極的多空結構擴散到陽極與電解質的界面，在陰極一側持續(xù)通擴散到陽極與電解質的界面，在陰極一側持續(xù)通入入氧氣或空氣氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面吸附氧，具有多孔結構的陰極表面吸附氧，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-進入起電解質作用的固體離子導體，由于進入起電解質作用的固體離子導體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應，失去的電子通過的界面，與燃料氣體發(fā)生反應，失去的電子通過外

6、電路回到陰極。外電路回到陰極。SOFC工作原理工作原理.9SOFC結構結構SOFC陽極（anode）陰極（cathode）固體電解質（solidelectrolyte）互連接（interconnector）.10.11 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基材料鈣鈦礦結構氧化物 Ru氧化物其他陰極材料陰極材料陰極材料.12固體氧化物電解質固體氧化物電解質 是最有希望的SOFC電解質材料。但材料制備，低溫燒結，薄膜化難度大。 低溫下具有很高的離子電導，合成溫度低，易于燒成致密陶瓷，對減小電池內阻和制作然來哦電池

7、十分有利 主要有兩種摻雜類型：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CeO2基電解質LaGaO3基電解質Bi2O3基電解質.13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)展了管式結構和平板式結構兩種形式。另外還有整體式和分段式。.14管狀結構管狀結構SOFC管狀結構SOFC是最早發(fā)展的一種形式，單電池

8、由一端封閉、一端開口的管子構成，最內層 但是多孔支撐管，由里向外依次是陰極、電解質和陽極薄膜。氧氣從管芯輸入，燃料電池通過管子外壁供給。目前管狀結構單電池已經(jīng)運行了數(shù)萬小時。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)。管狀結構式目前較為成熟的一種形式。.15.16平板式結構平板式結構SOFC電池堆電池堆平板式結構SOFC近幾年才引起了人們的關注，這種集合形狀簡單的設計使其制作工藝大為簡化。平板式SOFC由陽極、電解質、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，并在兩側提供氣體通道，同時隔開兩種氣體。目前平板式SOFC也在進行千瓦量集電

9、池度的試驗。平板式結構電池堆中，電池串聯(lián)連接，電流依次通過各薄層，路徑短，內阻歐姆損失小，能量密度高，結構靈活，氣體流通方式多，組元分開設備，工業(yè)簡便，組元分別組裝，電池質量易于控制，電解質薄膜話，可以降低工作溫度（700-800），從而可以采用金屬連接體。目前的難點是實現(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。.17.18陶瓷燃料電池單片平板型中溫固體氧化物染料電池 大面積樣機支撐復合膜實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，上硅所易貝硅谷總部安裝的兩臺昂貴的Bloom Energy設備。德國公司展出實用水平燃料電池氧化物燃料電池的應用氧化物燃料電池的應用.19據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)1

10、1月17日報道，美國哈佛大學的科學家最近報告了其在固體氧化物燃料電池（SOFCs）領域取得的兩項進展：其一是電池中不再使用鉑材料；其二是將電池的運行溫度降低至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步，SOFCs可能很快成為一項主流技術，未來將能給手提電腦或手機供電。福特?？怂谷剂想姵仄囀疽鈭D燃料電池的眾多優(yōu)點吸引了廣大的科技人員，各國都投入了大量的財力、人力來研制新型的燃料電池。目前，國外正在試運行100千瓦級第二代燃料電池發(fā)電站。日本已設計出用于旅館、辦公樓的50-500千瓦的現(xiàn)場試驗室，可供空調、照明等用

11、電，發(fā)電效率為30%-40%，再加上余熱的利用，總效率可達60%-80%。可見，燃料電池的應用面廣，前景看好.20首款大型薄膜固體氧化物燃料電池問世 2011年5月25日的報道：美國哈佛大學（Harvard）工程與應用科學學院（SEAS：School of Engineering and Applied Sciences）以及西能系統(tǒng)有限責任公司（SiEnergy Systems LLC）的材料科學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鍵的結構性因素，也用作集電器，制成的膜芯片5毫米寬，要把幾百個這樣的芯片

12、集成到手掌大小的固體氧化物燃料電池硅片上。.21 (1)較高的電流密度和功率密度； (2)陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質內阻降； (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或熔鹽電解質的腐蝕及封接問題； (5)能提供高質余熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達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、陰極和陽極，具有全固態(tài)結構； (7)陶瓷電解質要求中、高溫運行(6001000)，加快了電池的反應進行，還可以實現(xiàn)多種碳氫燃料氣體的內部還原，簡化了設備氧化物染料電池的優(yōu)點氧

13、化物染料電池的優(yōu)點.22氧化物染料電池存在的問題單電池材料 單電池主要由陰極、電解質和陽極組成。傳統(tǒng)的陰極材料是鈣鈦礦結構(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)出電化學活性不足、電阻過高、缺乏離子導電性以及可能與電解質材料反應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構的材料以取代LSM。另一個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。.23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SOFC在1000高溫工作時，連接體材料是Sr或其他元素摻雜