固体氧化物燃料电池论文

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1、固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池班级：材料班级：材料 10041004 学号：学号：1818 号号姓名：彭翼武姓名：彭翼武专业：无机非金属材料工程专业：无机非金属材料工程指导老师：朱云峰指导老师：朱云峰20132013、0606、0303摘要摘要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 种在中高温下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。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普 及应用的一种燃料电池。关键词：关键词：第三代燃料电池；化学能高效；环境友好；固

2、体氧化物燃料电池Solid oxide fuel cellAbstractSolid oxide fuel cell(Solid Oxide Fuel Cell,referred to as SOFC)is the third generation of fuel cell,is a kind of high temperature directly stored in the fuel and oxidant capable of highly efficient,environmental friendly into solid chemical electricity generatin

3、g device.Widely considered to bein the future will exchange membrane fuel cell with proton(PEMFC)as a fuel cell wide application.Keywords：The third generation of fuel cell;chemical energy efficient;environmental friendly;solid oxide fuel cell.1 1、发展史发展史 1839 年就由 William Grove 提出燃料电池的原理装置。 1894 年 W.O

4、stwald 指出燃料电池不受卡诺循环的限制其能量转换效率可以达到 5080% 1959 年培根(Bacon)制造了可以使用的燃料电池 1965 年和 1966 年美国相继在双子星座和阿波罗飞船重成功地应用改进了的培根 H2-O2 燃料电池提供电力。在航天领域燃料电池得到了发展。 20 世纪 70 年代美国 Target 财团开发成功 12.5kW 的磷酸型燃料电池。1986 年又完成了 50 台 40kw 的电池组在美国和日本应用。1994 年美国的 IFC 研制了 200kw 机组。 60 年代出现了质子交换膜燃料电池，因为电阻大寿命短限制了使用。80 年代 PEMFC 迅速 发展。 19

5、97 年能斯特制备氧化锆加氧化钇离子导提上世纪 50 年代荷兰、美国开发了固体氧化物 电池。 二十世纪 80 年代以后，美国西屋用挤出成型的方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管， 然后采用电化学气象沉积方法制备厚度在几十到 100m 的电解质和电极薄膜。1987 年， 该公司在日本安装的 25kw 级发电和余热供暖 SOFC 系统，到 1997 年 3 月成功运行了 1.3 万小时。1997 年 12 月，西门西屋公司在荷兰安装了第一组 100kw 管状 SOFC 系统，截止 到 2000 年底关闭，累计工作了 16612 小时，能量效率为 46%，2002 年 5 月，西门西屋又 与加州大学

6、合作，在加州安装了一套 220kwSOFC 与气体涡轮机联动发电系统，目前获得 的能量转化效率为 58%，预测有望达到 70%。 在汽车应用领域，SOFC 发展也很活跃，奔驰汽车制造公司 1996 年对 2.2kw 级模块试运行 达 6000 小时。2001 年 2 月 16 日，由 BMW 与 Delphi Automotive Systems Corporation 合作 近两年研制的第一辆由 SOFC 作为辅助电源系统的汽车在慕尼黑问世，作为第一 SOFC/APU 系统，其功率为 3KW，电压输出为 21KV，其燃料消耗比传统汽车降低 46%。2、SOFC 特点特点 长时间不间断的工作；

7、能量转换效率可以达到 5080%；工作时无噪音；燃料可以是气体 液体和固体；与环境友好；全固态的电池结构，避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电 解质流失等问题；对燃料的适应性强；不需要使用贵金属催化剂；低排放，低噪声；规模 和安装地点灵活。 3、SOFC 工作原理工作原理固体氧化物燃料电池电化学反应过程固体氧化物燃料电池电化学反应过程 固体氧化物燃料电池工作原理图固体氧化物燃料电池工作原理图和一般染料电池一样，SOFC 也是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置，只不 过工作温度较高，一般在 8001000，由阳极、阴极及两级间的电解质组成。在阳极一 侧持续通入燃料气，如 H2，CH4、

8、，煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附气体例如氢， 并通过阳极的多空结构扩散到阳极与电解质的界面，在阴极一侧持续通入氧气或空气，具 有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得 O2 得到电子变为 O2-进入 起电解质作用的固体离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界 面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。简单的 SOFC 由阴极、阳极、电解质和用电器所组成。氧 分子在空气极得到电子，被还原成氧离子 O2-，在阴阳极 氧的化学位差作用下，氧离子（通常以氧空位的形式）通过电解质（固态）传输到阳极， 并在阳极同燃料发生，生成水和电子，电子通过外电路的用

9、电器做功，并形成回路。SOFC 采用固体氧化物作为电解质，在高温下具有传递 的能力，在电池中起着传导和分隔氧o-2o-2化剂和燃料的作用。在阴极，氧分子得到电子还原为氧离子；氧离子在电解质隔膜两侧电势差与氧浓度差驱动力的作用下，通过电解质隔膜中的氧空位，定向跃迁到阳极侧，并与燃料进行氧化反应。同其他燃料电池的区别： 热损失在 SOFC 中可以得到有效的利用：一是这些热量保证了 SOFC 在高温下运行；二是 高温热量可以有效的利用，如蒸汽发电等； SOFC 可以直接使用任何可燃物质作为燃料。四、四、SOFC 的结构类型及其特点的结构类型及其特点 常采用的结构类型有管型和平板型两种。 管型 SOF

10、C 电池组由一端封闭的管状单电池以串联、并联方式组装而成。 平板型 SOFC 的空气电极/YSZ 固体电解质/燃料电极烧结成一体，组成“三合一”结构 （PEN） 。SOFCSOFC 的结构的结构SOFC阳极阴极 固体电解质互连接1）阳极）阳极 阳极的主要作用是为燃料的电化学氧化提供反应场所，所以 SOFC 阳极材料必须在还原气 氛中稳定，具有足够高的电子电导率和对燃料氧化反应的催化活性，还必须具有足够高的 孔隙率，以确保燃料的供应及反应产物的排除。由于 SOFC 在中温、高温下操作，阳极材料还必须与其它电池材料在室温至操作温 度乃至更高的制备温度范围内化学上相容、热膨胀系数相匹配。对 SOFC

11、 阳极材料及阳极有如下的基本要求：（1）稳定性 在燃料气氛中，阳极必须在化学、形貌和尺度上保持稳定。 （2）电导率 阳极材料在还原气氛中要具有足够高的电子导电率，以降低阳极的欧姆极 化，同时还具备高的氧离子导电率，以实现电极立体化。 （3）相容性 阳极材料与相接触的其它电池材料必须在室温至制备温度范围内化学上相 容。 （4）热膨胀系数 阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系数相匹配。 （5）孔隙率 阳极必须具有足够高的孔隙率，以确保燃料的供应及反应产物的排出。 （6）催化活性 阳极材料必须对燃料的电化学氧化反应具有足够高的催化活性。 （7）阳极还必须具有强度高、韧性好、加工容易、成本低的特点。阳极

12、材料及性能阳极材料及性能（一）Ni-YSZ 金属陶瓷常用的阳极催化剂有镍、钴和贵金属材料，其中金属镍具有高活性、价格低的 特点，应用最广泛。 在SOFC 中，阳极通常由金属镍及氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）骨架组成。（1）Ni-YSZ 金属陶瓷阳极的制备制备 Ni-YSZ 金属陶瓷的方法有多种，包括传统 的陶瓷成型技术（流延法、轧末法） 、涂抹技术（丝网印刷、浆料涂覆）和沉积技术（化学气相沉积、等离子体溅射） 。管式 SOFC 通常采用化学气象沉积-浆料涂覆法制备 Ni-YSZ 阳极；电解质自支撑平行板 SOFC 的阳极制备可采用丝网印刷、溅射、喷涂等多种方法，而电极负载型平板型 SOFC 的

13、阳极制备一般采用轧膜、流延等方法。 （2）Ni-YSZ 金属陶瓷的物理性质 在 Ni 中加入 YSZ 的目的是使发生电化学反应的三相界向空间扩展，即实现电极的立体化， 并在 SOFC 的操作温度下保持阳极的多孔结构及调整电极的热膨胀系数使其与其它电池组 件相匹配。在这种金属陶瓷复合阳极中，YSZ 作为金属 Ni 的载体，可有效地防止在 SOFC 操作过程中金属粒子粗化。 （3）金属陶瓷的稳定性 Ni 和 YSZ 在还原气氛中均具有较高的化学稳定性，并且在室温至 SOFC 操作温度范围内 无相变产生。 Ni-YSZ 在 1000以下几乎不与电解质 YSZ 及连接材料 LaCrO3 发生反应。 （

14、4）Ni-YSZ 金属陶瓷的导电性 Ni-YSZ 金属陶瓷阳极的导电率和其中 Ni 的含量密切相关。当 Ni 的比例低于 30%时 Ni- YSZ 金属陶瓷的导电性能与 YSZ 相似，说明此时通过 YSZ 相的离子导电占主导地位；但 当 Ni 的含量高于 30%时，由于 Ni 粒子互相连接构成电子导电通道，使 Ni-YSZ 复合物的 电导率增大三个数量级以上，说明此时 Ni 金属的电子电导在整个复合物电导中占主导地位。（5）Ni-YSZ 复合金属陶瓷阳极的热膨胀 Ni-YSZ 阳极的热膨胀系数随组成不同而发生改变。随着 Ni 含量的增加，Ni-YSZ 的热膨胀 系数增大。严重的热膨胀系数不匹配

15、会在电池内部引起较大的应力，造成电池组件的碎裂 和分层剥离。可通过在电解质中掺入添加剂的方法降低应力。 （2）Ni-SDC 金属陶瓷阳极 和 YSZ 相比，由于 SDC（Ni-Sm2O3 掺杂的 CeO2 ）具有较高的离子电导率，且在还原 气氛中会产生一定的电子电导，因此，将 SDC 等掺入到阴极催化剂中，可以使电极上 发生电化学反应的三相界得以向电极内部扩展，从而提高电极的反应活性。Ni O-SDC 复合材料的制备可以采用机械复合法，即将 Ni O 和 SDC 粉料混合后进行球 磨，用量少时，用玛瑙研钵进行研磨。 2)阴极阴极 阴极的作用是为氧化剂的还原提供场所。因此阴极材料必须在氧化气氛下

16、保持稳定，并在 SOFC 操作条件下具有足够高的电子导电率和对氧化还原反应的催化活性。在 SOFC 中， 对阴极材料有如下要求：(1)稳定性 在氧化气氛中，阴极材料必须具有足够的化学稳定性，且其形貌、 微观结 构、尺寸等在电池长期运行过程中不能发生明显变化。(2)电导率 阴极材料必须具有足够高的电子电导率，以降低在 SOFC 操作过程中阴极的 欧姆极化；此外，阴极还必须具有一定的离子导电能力，以利于氧化还原产物向电解质的 传递。(3)催化活性 阴极材料必须在 SOFC 操作温度下，对氧化还原反应具有足够高的催化活 性，以降低阴极上电化学活化极化过电位，提高电池的输出性能。(4)相容性 阴极材料必须在 SOFC 制备和操作温度下与电解质材料、连接材料或双极板 材料与密封材料化学上相容。(5)热膨胀系数 阴极必须在室温至 SOFC 操作温度，乃至更高的制备温度范围内与其他 电池材料热膨胀系数相匹配。(6)多孔性 SOFC 的阴极必须具有足够的孔隙率，以确保活性