文档介绍：新型固体燃料电池
——21世纪的绿色能源
雷小平
07材料
SOFC 概念
固体氧化物燃料电池(SOFC)是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
SOFC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。
SOFC 优点
SOFC与第一二代燃料电池相比它有如下优点:
(1)较高的电流密度和功率密度
(2)阳、阴极极化可忽略
(3)可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料
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)燃料利用率高,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
SOFC 原理
固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同,在原理上相当于水电解的“逆”装置。
其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成,阳极为燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源,其阳极即电源负极,阴极为电源正极。
SOFC 原理图
SOFC 结构
电解质(electrolyte)、
阳极或燃料极(anode,fuel electrode)、
阴极或空气极(cathode,air electrode)
连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)组成。
SOFC 电解质连接材料
SOFC电解质材料主要为离子导电的氧化钇(或
氧化钪)稳定的氧化锆,及掺杂的氧化铈或镓酸镧基
材料。SOFC电极材料本身首先是一种催化剂。
现常使用的合金连接材料主要为包含Cr的Fe
基合金材料。
SOFC 阳极
SOFC阳极材料通常为金属与电解质掺杂的复合材料,最常用的阳极材料为Ni与电解质相互混合的复合材料。对SOFC阳极材料,要求电子电导高,在还原气氛中稳定并保持良好透气性。常用的材料是Ni粉弥散在YSZ中的金属陶瓷。
SOFC 阴极
阴极材料在高温氧气氛环境工作,起传递电子和扩散氧作用,应是多孔洞的电子导电性薄膜。要求阴极材料具有高电导率、高温抗氧化性以及高温热稳定性,并且不与电解质发生化学反应。
常用的阴极材料主要包括以下几种:LSC、LSCF、LSF、LSM等
SOFC大量实验证明: La1-xSrxMnO3(LSM),是较好的阴极材料。
SOFC 制备
制备SOFC电极的方法很多,主要分为物理方法、化学方法以及陶瓷成型方法。制备SOFC电极薄膜的各种工艺方法的比较见下表。