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1、固体氧化物染料电池固体氧化物染料电池 1.内容简介内容简介发展历史固体氧化物燃料电池简介电池工作原理电池组成应用优缺点2.固体氧化物燃料电池的发展固体氧化物燃料电池的发展二十世纪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
2、加州大学合作，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%。3.加拿大的环球热电公司，美国GE等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。环球热电公司获得的功率密度，在700运行时，达到0.723W/cm2。2000年6月，完成了1135kw电池系统运行1100小时试验日本工业技术院电子技术综合研究所在1984年进行了500w发电试验，输出最大功率为1.2kw，1992年开始，富士电机综合研究所和三洋电机共同研究，并在2000年9月11日实现了功率输出为15kw的平板式SOFC连续运行1000小时无衰减
3、。4.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，作为第一代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%5.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
4、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。6.氧离子电导燃料电池化学反应示意图氧离子电导燃料电池化学反应示意图7.和一般染料电池一样，和一般染料电池一样，SOFCSOFC也是把反应物的化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，一般在温度较高，一般在80010008001000，由阳极、阴极，由阳极、阴极及两级间的电解质组成。在阳极一侧持续通入及两级间的电解质组成。在阳极一侧持续通入燃燃料气料气，如，如 H H2 2，CHCH4 4、，、，煤气等，具有催化作用的阳煤气等，具有催化作用的阳极表面吸
5、附气体例如氢，并通过阳极的多空结构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，在阴极一侧持续通扩散到阳极与电解质的界面，在阴极一侧持续通入入氧气或空气氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，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，使得由于阴极本身的催化作用，使得O O2 2得到电子变为得到电子变为O O2-2-进入起电解质作用的固体离子导体，由于浓度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面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电
6、路回到阴极。路回到阴极。SOFC工作原理工作原理8.SOFC结构结构SOFC阳极（anode）阴极（cathode）固体电解质（solidelectrolyte）互连接（interconnector）9.10.金属Pb, Pt，Rh金属陶瓷Pt-SSZ金属及金属陶瓷Mn基材料 LSM（锰酸镧）Co基材料 钴酸镧Fe基，Cu基材料钙钛矿结构氧化物Ru氧化物其他阴极材料阴极材料阴极材料11.固体氧化物电解质固体氧化物电解质是最有希望的SOFC电解质材料。但材料制备，低温烧结，薄膜化难度大。低温下具有很高的离子电导，合成温度低，易于烧成致密陶瓷，对减小电池内阻和制作然来哦电池十分有利主要有两种掺杂类
7、型：1以碱金属氧化物和稀土金属氧化物为代表的单掺杂 2双稀土氧化物或者碱金属氧化物与稀土氧化物混合掺杂一是以Y2O3为代表的稀土金属氧化物二是以CaO为代表的碱金属氧化物ZrO2基固体电解质CeO2基电解质LaGaO3基电解质Bi2O3基电解质12.固体氧化物燃料电池组固体氧化物燃料电池组单体燃料电池只能产生1V左右的电压，期功率是有限的，为了获取大功率SOFC，必须将若干个单电池以各种方式（串联，并联，混联）组装恒电池组，目前主要发展了管式结构和平板式结构两种形式。另外还有整体式和分段式。13.管状结构管状结构SOFC管状结构SOFC是最早发展的一种形式，单电池由一端封闭、一端开口的管子构成
8、，最内层 但是多孔支撑管，由里向外依次是阴极、电解质和阳极薄膜。氧气从管芯输入，燃料电池通过管子外壁供给。目前管状结构单电池已经运行了数万小时。单电池通过阴、阳极间连接成电池堆，阳极与连接体相连接形成串联，阳极与阳极相连接形成并联。管状结构式目前较为成熟的一种形式。14.15.平板式结构平板式结构SOFC电池堆电池堆平板式结构SOFC近几年才引起了人们的关注，这种集合形状简单的设计使其制作工艺大为简化。平板式SOFC由阳极、电解质、阴极薄膜组成单体电池，两边带槽的来接替连接相邻阴极和阳极，并在两侧提供气体通道，同时隔开两种气体。目前平板式SOFC也在进行千瓦量集电池度的试验。平板式结构电池堆中
9、，电池串联连接，电流依次通过各薄层，路径短，内阻欧姆损失小，能量密度高，结构灵活，气体流通方式多，组元分开设备，工业简便，组元分别组装，电池质量易于控制，电解质薄膜话，可以降低工作温度（700-800），从而可以采用金属连接体。目前的难点是实现气体密封，采用陶瓷-玻璃压缩封闭，一造成层间裂纹，连接处电阻高，损失大。16.17.陶瓷燃料电池单片平板型中温固体氧化物染料电池 大面积样机支撑复合膜实现小批量生产，上硅所易贝硅谷总部安装的两台昂贵的Bloom Energy设备。德国公司展出实用水平燃料电池氧化物燃料电池的应用氧化物燃料电池的应用18.据美国物理学家组织网11月17日报道，美国哈佛大学的
10、科学家最近报告了其在固体氧化物燃料电池（SOFCs）领域取得的两项进展：其一是电池中不再使用铂材料；其二是将电池的运行温度降低至300摄氏度到500摄氏度之间。研究人员表示，基于SOFCs在更低的操作温度、更丰富的燃料来源以及更便宜的材料方面取得的进步，SOFCs可能很快成为一项主流技术，未来将能给手提电脑或手机供电。福特福克斯燃料电池汽车示意图燃料电池的众多优点吸引了广大的科技人员，各国都投入了大量的财力、人力来研制新型的燃料电池。目前，国外正在试运行100千瓦级第二代燃料电池发电站。日本已设计出用于旅馆、办公楼的50-500千瓦的现场试验室，可供空调、照明等用电，发电效率为30%-40%，
11、再加上余热的利用，总效率可达60%-80%。可见，燃料电池的应用面广，前景看好19.首款大型薄膜固体氧化物燃料电池问世2011年5月25日的报道：美国哈佛大学（Harvard）工程与应用科学学院（SEAS：School of Engineering and Applied Sciences）以及西能系统有限责任公司（SiEnergy Systems LLC）的材料科学家已演示了第一款宏观尺度的薄膜固体氧化物燃料电池（SOFC：solid-oxide fuel cell）。微小金属蜂窝提供了关键的结构性因素，也用作集电器，制成的膜芯片5毫米宽，要把几百个这样的芯片集成到手掌大小的固体氧化物燃料电
12、池硅片上。20.(1)较高的电流密度和功率密度；(2)阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降；(3)可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；(4)避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；(5)能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80%左右，是一种清洁高效的能源系统；(6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构；(7)陶瓷电解质要求中、高温运行(6001000)，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备氧化物染料电池的优点氧化物染料电池的优点21.氧化物染料电池存在的问
13、题单电池材料 单电池主要由阴极、电解质和阳极组成。传统的阴极材料是钙钛矿结构(ABO3)的LaxSr1-xMnO3 (LSM)。除Sr以外，对其他A或B位置的掺杂元素也有广泛的研究。在中低温情况下，这类材料表现出电化学活性不足、电阻过高、缺乏离子导电性以及可能与电解质材料反应生成高电阻相等缺陷。目前，研究者们正在寻找其他具有钙钛矿结构的材料以取代LSM。另一个值得研究的方向是考虑采用贵金属，如Pd，作为阴极材料。Pd是一个很好的氧化还原催化材料。但是，由于成本的原因，这方面的研究较钙钛矿阴极材料要少得多。22.电池堆材料这里所说的电池堆材料是指电堆中除单电池以外的材料，主要包括连接体材料、密封材料和界面材料。 当SOFC在1000高温工作时，连接体材料是Sr或其他元素掺杂的LaCrO3。对于目前正致力于开发的平板式SOFC，金属材料是研究者们首先考虑的对象。连接体对金属材料的一般要求是抗氧化性、导电性、高温机械强度、热膨胀系数匹配以及与相接触材料之间的化学相容性等等。含Cr的铁素体不锈钢是最有希望的材料，然而，为了满足连接体功能的要求，其抗氧化性和氧化后的导电性还有待提高。 23.谢谢观赏谢谢观赏 Goodbye24.
