固體氧化物燃料電池課件

固體氧化物燃料電池

（SolidOxideFuelCell）1可編輯課件PPT12341目錄固體氧化燃料電池原理固體氧化物燃料電池特點固體氧化物燃料電池材料SOFC國際發(fā)展狀況2可編輯課件PPT固體氧化物燃料電池第一代燃料電池(磷酸鹽酸性燃料電池）第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池）固體氧化物燃料電池(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。3可編輯課件PPT陽極反應：H2+O2-→H2O+2e-陰極反應:O2+4e-→2O2-

在陰極，氧分子得到電子還原為氧離子，氧離子在氧濃度差和電位差作用下，通過電解質中的氧空穴定向遷移，到達陽極后與燃料發(fā)生氧化反應。固體氧化物燃料電池采用固體氧化物為電解質。固體氧化物在高溫下具有傳遞O2-的能力，在電池中起傳遞O2-和分離燃料和氧化劑的作用。固體氧化物燃料電池原理4可編輯課件PPT從原理上講，固體氧化物燃料電池是最理想的燃料電池之一，它具有如下的優(yōu)點：（1）工作溫度高（800-10000C）,高溫可以保證燃料的快速氧化，且不需要昂貴的電催化劑；（2）SOFC的工作電壓可以達到理論開路電壓的96%，由于固體氧化物電解質的透氣性很低，電子電導率低；（3）由于SOFC運行溫度高，便于利用高溫廢氣，可實現(xiàn)熱電聯(lián)產，燃料利用率高；（4）全固體結構，避免了液態(tài)電解質對材料的腐蝕，解決了電解液的控制問題；（5）氧化物電解質很穩(wěn)定，抗毒性好。電極有相對較強的抗污染能力；（6）可使用多種燃料，包括直接使用碳氫化合物；（7）不要求外圍設備條件，諸如不需要濕度控制、空氣調節(jié)等。固體氧化物燃料電池特點5可編輯課件PPT固體氧化物燃料電池材料固體氧化物燃料電池由三部分組成：電解質、陰極、陽極，陰、陽極因功能的差異而組成不同。6可編輯課件PPT陰極材料電池中的陰極又稱為空氣電極，即會暴露在氧氣中。它的主要作用是集流體并有極高的還原氧化的點催化活性。陰極材料的要求有高額電子電導率氣體透過率大高溫時熱和化學穩(wěn)定性與固體電解質膜有良好的相容性和附著性有比較理想的孔隙率價格適中當前使用的最為廣泛的陰極材料是摻有鑭的氧化錳，即La1-XSrxMnO3(LSM)。LSM具有在氧化氣氛中電子電導率高，與YSZ化學相容性好等特點。7可編輯課件PPT電池中的陽極又稱為燃料電極，它處在還原的氣氛之中。主要作用是實現(xiàn)燃料的電化學催化氧化，把燃料氧化釋放出的電子轉移到外電路去，導入和排出氣體。陽極材料陽極材料的要求有足夠的電子電導率，同時具有一定的離子電導率，以擴大電極反應面積；在還原性氣氛中可長時間工作，保持尺寸及微結構穩(wěn)定，無破壞性相變；與電解質熱膨脹匹配，不發(fā)生化學反應；具有多孔結構，從而保證反應氣體的輸運；對陽極的電化學反應有良好的催化活性。常用的陽極催化劑有Ni、Fe、Co、Pt等，其中金屬Ni具有高的活性、價格低的特點，應用最廣泛。8可編輯課件PPT陽極極主要由兩種材料組成：一是金屬；第二種對大部分電池來說是和電解質相同的材料。9可編輯課件PPT固體電解質材料SOFC的關鍵是固體電解質，固體電解質性能的好壞將決定燃料電池性能的優(yōu)劣。(1)較高的氧離子電導率，忽略電子電導率；(2)高溫時有一定的相穩(wěn)定性和機械強度；(3)氣密性，要求其達到理論密度的95％以上；(4)良好的抗熱震動性；(5)對于反應氣體的化學穩(wěn)定性：(6)固體電解質薄膜與電極和聯(lián)接材料間的熱膨脹系數的匹配。對電解質的要求10可編輯課件PPT目前可作為SOFC固體電解質材料主要有3類：氧化鋯系電解質；氧化鈰系電解質；LaGaO3鈣鈦礦系電解質。11可編輯課件PPT早在1839年英國人WilliamGrove就報道了燃料電池的工作原理，但固體氧化物燃料電池的起步卻比較晚，1899年Nerest發(fā)現(xiàn)了固體氧化物電解質。1937年Baur和Preis首次操作固體氧化物燃料電池，其工作溫度為1000℃。自此，固體氧化物燃料電池取得了很大的進展。固體氧化物燃料電池主要為管式、平板式、瓦楞式和其它新型結構。SOFC國際發(fā)展狀況12可編輯課件PPT管式SOFC管式結構固體氧化物燃料電池組（a）單體電池；（b）單電池間的連接管型SOFC電池組由一端封閉的管狀單電池以串聯(lián)、并聯(lián)方式組裝而成。每個單電池從內到外由多孔支撐管、空氣電極、固體電解質薄膜和金屬陶瓷陽極組成。多孔管起支撐作用，并允許空氣自由通過，到達空氣電極。13可編輯課件PPT管式SOFC的優(yōu)點：單電池間的連接體設在還原氣氛一側，這樣可使用廉價金屬材料作電流收集體。單電池采用串聯(lián)、并聯(lián)方式組合在一起，可以避免當某一電池損壞時，電池組完全失效。電池組裝相對簡單，容易通過電池單元之間并聯(lián)和串聯(lián)組合成大功率的電池組。管型SOFC一般在很高的溫度(900-1000℃)下進行操作，主要用于固定電站系統(tǒng)，所以高溫SOFC一般采用管型結構。管式SOFC的缺點：電流通過電池的路徑較長，限制了SOFC的性能。14可編輯課件PPT管式SOFC發(fā)展狀況西屋(Westinghouse)公司美國西屋公司首先通過擠壓成型方法制備多孔氧化鋁或復合氧化鋯支撐管，然后采用電化學氣相沉積方法制備厚度在幾十到100μm的電解質薄膜和電極薄膜。1987年，該公司在日本安裝了25kW級發(fā)電和余熱供暖SOFC系統(tǒng)。1997年12月，西門子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%。15可編輯課件PPTCHP100kWSiemensGenerator16可編輯課件PPT2002年5月，西門子西屋公司又與加州大學合作，在加州安裝了第一套220kWSOFC與氣體渦輪機聯(lián)動發(fā)電系統(tǒng)，當時獲得的能量轉化效率為58%。除了西屋公司外，日本三菱重工長崎造船所、九州電力公司和東陶公司、德國海德堡中央研究所等也進行了千瓦級管狀結構SOFC發(fā)電試驗。SIEMENSPH200kWSOFCPowerSystem17可編輯課件PPT日本新型低溫固體氧化物燃料電池日本的產業(yè)技術綜和研究所(AIST)及美國的科羅拉多礦業(yè)學院的研究小組研發(fā)出直接利用各種碳氫化合物燃料并附加上催化層，可在450℃發(fā)電的微小型低溫固體氧化物燃料電池(LTSOFC)。管狀微小型SOFC電池單體：電解質為二氧化鈰陶瓷陽極材料為鎳基二氧化鈰陶瓷陰極材料為含有鑭鈷氧化鈰的陶瓷材料半徑為1.8mm溫度（℃）450500550輸出功率密度（W/cm2）0.10.40.45直接使用甲垸燃料18可編輯課件PPT平板式SOFC平板型SOFC的空氣電極/YSZ固體電解質/燃料電極燒結成一體，組成“三合一”結構，其間用開設導氣溝槽的雙極板連接，使其間相互串聯(lián)構成電池組。平板式SOFC的結構19可編輯課件PPT平板式SOFC的優(yōu)點：相對于管式設計，平板式設計省去了阻礙氣體流動的支撐管，有更好的性能及更高的功率密度?！叭弦弧苯M件制備工藝簡單，造價低。由于電流收集均勻，流經路徑短，使平板型電池的輸出功率密度較管式高。平板式SOFC的缺點：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SOFC的操作溫度降低到600一800℃后，可以在很大程度上擴展電池材料的選擇范圍、提高電池運行的穩(wěn)定性和可靠性，降低電池系統(tǒng)的制造和運行成本。20可編輯課件PPT平板式SOFC發(fā)展狀況平板式SOFC由于制備工藝相對簡單和電池功率密度高的原因,近幾年成為國際SOFC研究領域的主流,全球約70%的SOFC研究單位集中在平板式SOFC上。加拿大的環(huán)球熱電公司（GlobalThermoelectricInc.）、美國GE等公司在開發(fā)平板型SOFC上取得進展。環(huán)球熱電公司獲得的功率密度，在700℃運行時，達到0.723W/cm3。2000年6月，完成了1.35kW電池系統(tǒng)運行1100小時試驗。歐洲德國西門子于1995年開發(fā)出10kW級平板型SOFC，氧化劑為氧，如果采用空氣為氧化劑，則功率為5kW；；1996年推出氧化劑為空氣的7.2kW級模塊。德國尤里希研究中心，F(xiàn)raunhofer陶瓷技術和燒結材料研究院等都獲得了數千瓦級的功率輸出。21可編輯課件PPT[1]李永峰,蕈新法,林維明.周體氧化物燃料電池的現(xiàn)狀和未來[J].電源技術,2002,26(6):462-465[2]史可順.中溫固體氧化物燃料電池電解質材料及其制備工藝的研究發(fā)展趨勢[J].硅酸鹽學報,2008,36(11):1676-1688[3]唐先敏,錢曉良,等．固體氧化物燃料電池[J].電源技術,1995,19(2):40[4]陳梅.日本新型低溫固體氧化物燃料電池[J].電源技術