交流阻抗-固体氧化物燃料电池

合集下载

固体氧化物燃料电池、氧化铈基隔离层及其制备方法

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种高效、环保的新型能源电池，其在能源转换领域具有广泛的应用前景。

其中，氧化铈基隔离层是SOFC中的重要组成部分，可以有效降低金属电极与电解质之间的电子分流，提高电池性能和稳定性。

本文将就固体氧化物燃料电池及其关键部件氧化铈基隔离层进行介绍和讨论，同时对其制备方法进行探讨。

一、固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池是一种以固体氧化物电解质为核心的电化学能源转换装置，通过电化学反应将化学能转化为电能。

其工作原理是在高温下，将氢气或一氧化碳等燃料气体与氧气进行电化学反应，产生电能和水蒸气（或二氧化碳）。

SOFC具有高效率、低污染、静音等优点，适用于独立发电系统、航空航天、军事装备和新能源汽车等领域。

二、氧化铈基隔离层氧化铈基隔离层是SOFC中重要的组成部分，位于阳极和电解质之间，起到隔离和阻挡电子传输的作用。

它的主要作用是避免金属阳极与电解质之间的反应产生电子分流，同时具有提高电池性能和稳定性的作用。

氧化铈基隔离层的性能直接影响着SOFC的工作效率和寿命。

三、氧化铈基隔离层的制备方法1. 传统固相烧结法传统固相烧结法是氧化铈基隔离层制备的一种常用方法，其工艺流程主要包括原料粉末混合、成型、烧结等步骤。

通过固相烧结法可以获得致密、稳定的氧化铈基隔离层，但是制备工艺复杂，成本较高，而且制备过程中易产生晶粒长大、氧化还原反应不完全等问题。

2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种较新的氧化铈基隔离层制备方法，其通过将金属前驱体与溶剂混合形成溶胶，再通过凝胶化、干燥、煅烧等步骤制备氧化铈基隔离层。

溶胶-凝胶法制备的隔离层具有较高的比表面积和均匀的微观结构，但制备工艺较为复杂，且需要控制好溶胶的成分和性质，以及煅烧过程中的温度和气氛等参数。

3. 集成成核生长法集成成核生长法是一种将成核和生长两个步骤结合在一起的氧化铈基隔离层制备方法，其通过控制成核和晶粒生长过程，能够获得具有较小晶粒尺寸和均匀分布的氧化铈基隔离层。

固体氧化物燃料电池参数计算方法

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效的能源转换设备，其性能参数的计算方法一直备受关注。

本文将围绕固体氧化物燃料电池参数的计算方法展开讨论，从理论计算到实际应用，为读者提供全面的信息。

一、固体氧化物燃料电池参数的理论计算1. 最大功率密度（MPD）的计算方法最大功率密度是评价固体氧化物燃料电池性能的重要指标，其计算方法主要包括理论计算和实验测定两种途径，其中理论计算是基于能量守恒和热力学原理，以燃料气体的燃料利用效率、氧化物电化学反应速率等因素来确定。

2. 极限转化效率（UEC）的计算方法极限转化效率是指在特定工况下固体氧化物燃料电池能够达到的最高电能转化效率，其计算方法主要包括基于热力学分析和实验测定两种途径。

二、固体氧化物燃料电池参数的实测方法1. 电化学阻抗谱（EIS）的测试与分析电化学阻抗谱是评估固体氧化物燃料电池性能的重要测试手段，其实测方法包括交流电位扫描和频率扫描两种途径。

通过对实测数据的分析，可以获得固体氧化物燃料电池的内部电化学参数和动力学特性。

2. 极化曲线法的测试与分析极化曲线法是评估固体氧化物燃料电池性能的常用方法之一，通过改变电流密度和电压响应的关系，可以获取固体氧化物燃料电池的极化曲线，从而获取其性能参数。

三、固体氧化物燃料电池参数计算方法的应用1. 优化固体氧化物燃料电池设计通过对固体氧化物燃料电池参数的计算，可以帮助设计者优化电池的结构和材料，提高其性能和效率。

2. 评估固体氧化物燃料电池性能通过对固体氧化物燃料电池参数的实测和计算，可以全面评估其性能，并为后续的改进和优化提供依据。

3. 指导固体氧化物燃料电池的实际应用固体氧化物燃料电池参数的计算方法可以为实际应用提供指导，帮助用户选择合适的电池型号和配置，提高能源利用效率。

总结：本文围绕固体氧化物燃料电池参数的计算方法展开了论述，从理论计算到实际应用，为读者提供了全面的信息。

固体氧化物燃料电池作为一种高效的能源转换设备，其参数计算方法的研究将为其性能的提升和应用的推广提供重要的支持。

说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理(一)

说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理(一)说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理介绍固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种高效、低污染的能源转换设备。

它利用固体氧化物作为电解质，将化学能转化为电能，广泛应用于电力和燃料领域。

结构固体氧化物燃料电池的主要结构有以下几个部分：1.阳极：阳极是燃料一侧的电极，常用材料是镍（Ni）或含铈质的材料。

它具有良好的催化性能，能够使燃料与电解质进行反应。

2.阴极：阴极是氧化剂一侧的电极，常用材料是钇稳定氧化锆（YSZ）等，能够吸收氧气并与电解质发生反应。

3.电解质：电解质是固体氧化物燃料电池中的核心部分，常用材料有钇稳定氧化锆、钡稳定氧化钇（BCY）等。

它具有高离子电导率和低电子导率，能够传输氧离子并阻止电子的流动。

4.连接体：连接体用于连接阳极和阴极，常用材料是钇稳定氧化锆等，具有导电性质。

5.当前集流体：当前集流体用于收集由电解质传输的氧离子，并将其导入外部电路。

6.电极反应层：电极反应层位于阳极和阴极的界面上，能够促进燃料和氧化剂的反应。

工作原理固体氧化物燃料电池的工作过程可以分为以下几个步骤：1.燃料（如氢气、天然气等）被供应到阳极一侧，同时氧化剂（如氧气）被供应到阴极一侧。

2.在阳极上，燃料发生氧化反应，产生电子和氧离子（O^2-）：H_2 + 2O^{2-} -> 2H_2O + 4e^-3.氧离子通过电解质传输至阴极。

在传输过程中，电子通过外部电路流动形成电流，完成能量转换。

4.在阴极上，氧离子与氧化剂反应生成氧气：O^{2-} + 1/2O_2+ 2e^- -> O_2-5.这个过程持续进行，从而形成稳定的电流输出。

固体氧化物燃料电池具有高能量转换效率、低排放和燃料灵活性的特点，在电力和燃料领域具有广阔的应用前景。

它被广泛应用于发电站、交通工具、家用电器等领域，为可持续能源发展做出了重要贡献。

固体氧化物燃料电池

常压运行的小型SOFC发电效率能达到45%-50%。高压SOFC与燃气轮机结合，发电效率能达到70%。国外的公司及研究机构相继开展了SOFC电站的设计及试验，100kW管式SOFC电站己经在荷兰运行。Westinghouse公司不但试验了多个kW级SOFC，而且正在研究MW级SOFC与燃气轮机发电系统。日本的三菱重工及德国的Siemens公司都进行了SOFC发电系统的试验研究。

产品原理
在所有的燃料电池中，SOFC的工作温度最高，属于高温燃料电池。近些年来，分布式电站由于其成本低、可维护性高等优点已经渐渐成为世界能源供应的重要组成部分。由于SOFC发电的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。燃料电池和燃气轮机、蒸汽轮机等组成的联合发电系统不但具有较高的发电效率，同时也具有低污染的环境效益。
一般的SOFC发电系统包括燃料处理单元、燃料电池发电单元以及能量回收单元。图一是一个以天然气为燃料、常压运行的发电系统。空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入预热器预热，然后通入电池的阴极。天然气经过压缩机压缩后，克服系统阻力进入混合器，与蒸汽发生器中产生的过热蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例为，混合后的燃料气体进入加热器提升温度后通入燃料电池阳极。阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能的同时，电化学反应产生的热量将未反应完全的阴阳极气体加热。阳极未反应完全的气体和阴极剩余氧化剂通入燃烧器进行燃烧，燃烧产生的高温气体除了用来预热燃料和空气之外，也提供蒸汽发生器所需的热量。
单体电池只能产生1V左右电压，功率有限，为了使得SOFC具有实际应用可能，需要大大提高SOFC的功率。为此，可以将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池组。

固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）作为一种高效、清洁的能源转换技术，在冷热电联供系统中具有广阔的应用前景。

冷热电联供系统是一种集成化的能源利用方式，通过优化热电联产过程，实现能源的高效利用。

SOFC 作为冷热电联供系统的组件之一，具有高效、低排放、灵活性强等优势，因此在能源系统中发挥着越来越重要的作用。

1.SOFC概述SOFC是一种以固体电解质为基础的燃料电池，其主要组成部分包括阳极、阴极和电解质，其中电解质通常为氧化物。

在工作过程中，燃料（通常为氢气、甲烷等）在阳极处发生氧化反应，产生电子和离子，电子通过外部电路形成电流，离子穿过电解质到达阴极，在阴极处与氧气发生还原反应。

这种电化学过程产生的电能可用于供电或其他电力需求，同时SOFC还能够产生高温废热。

2.冷热电联供系统中的应用前景2.1高效能源转换SOFC具有高效率的能源转换特性，其电-热转换效率可达60%以上。

通过将SOFC与其他能源设备集成，如燃气轮机、蒸汽轮机等，可以实现更高效的能源转换，提高整个系统的总体能源利用效率。

2.2低排放与环境友好与传统发电方式相比，SOFC的燃烧过程不仅效率更高，而且排放的主要产物为水蒸气和二氧化碳。

SOFC在冷热电联供系统中的应用有助于减少温室气体排放，符合环保和可持续发展的要求。

2.3灵活性与响应速度SOFC具有较高的热响应速度，可以在短时间内达到额定功率，使其在应对电力需求波动、应急电力供应等方面具备灵活性。

这使得SOFC在冷热电联供系统中能够更好地适应复杂多变的能源需求。

2.4分布式能源系统SOFC可以被部署在分布式能源系统中，通过小型化、模块化的设计，实现能源的近端生产与使用，减少能源传输损失。

这种分布式部署方式有助于提高电力系统的鲁棒性和可靠性。

3.具体应用案例3.1工业厂区冷热电联供将SOFC集成到工业厂区的能源系统中，通过利用SOFC产生的废热供热，同时利用其电力输出满足工业生产的电力需求。

功能材料--固体氧化物燃料电池

阳极反应：O2 + 4e → 2O2阴极反应：H2 (g) + O2-→ H2O (g）+ 2e 总反应：2H2 + O2→ 2H2O
SOFC的结构
阳极
阳极的主要作用是为燃料的电化学氧气提供反应场所，所以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，除此之外还必须具备足够高的孔隙率，以确保燃料的供应以及反应产物的排出。
固体氧化物燃料电池原理及结构
固体氧化物燃料电池电化学反应示意图
固体氧化物燃料电池工作原图
简单的SOFC由阴极、阳极、电解质、用电器组成。氧分子在空气极得到电子，被还原成阳离子O2-,在阴阳极氧化学位差的作用下，氧离子（通常以氧空位的形式）通过电解质（固态）传送到阳极，并在阳极同燃料发生反应，生成水和电子，电子通过外电路的用电器做功，并形成回路。
电流通过的路径较长，限制了SOFC的性能。
SOFC的优点
• 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液流失等问题;
• 对燃料的适应性强； • 能量转换效率高； • 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； • 长时间不间断的工作； • 能量转化率达到50%-80%。
二）管型SOFC
管式SOFC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。每个单电池由内到外由多孔支撑管、空气电极、固体电解质薄膜金属陶瓷极组成。
管型SOFC的优点：单电池间的连接体设在还原气氛一侧，这
样可使用廉价的金属才聊作电流收集体。单电池采用串联、并联方式组合到一起，可以避免当某一单电池损坏时，电池组完全失效。用镍毡将单电池的连接体联结起来，可以减小单电池间的应力。管型SOFC电池组相对简单，容易通过电池单元之间并联和串联组成大功率的电池组。管型SOFC一般在很高的温度下操作，主要用于固定电站系统，所以高温SOFC一般采用管型结构。管型SOFC的缺点：

固体氧化物燃料电池

Cu-YSZ/Cu-CeO2
• 当采用碳-氢化合物时，阳极中Ni会促进阳极积碳反应的发生，导致阳极的堵塞，严重时会导致电池碎裂。 • Cu-YSZ/Cu-CeO2 阳极材料对多种碳-氢化合物的直接电化学氧化具有良好的催化活性，同时可明显减少积碳反应的发生。
固体电解质材料
SOFC的关键是固体电解质，固体电解质性能的好坏将决定燃料电池性能的优劣。
平板式SOFC的缺点：
密封困难、抗热循环性能差及难以组装成大功率电池组。但是，当SOFC的操作温度降低到600一800℃后，可以在很大程度上扩展电池材料的选择范围、提高电池运行的稳定性和可靠性，降低电池系统的制造和运行成本。
平板式SOFC发展状况
平板式SOFC由于制备工艺相对简单和电池功率密度高的原因,近几年成为国际SOFC 研究领域的主流,全球约70%的 SOFC研究单位集中在平板式SOFC上。加拿大的环球热电公司（Global Thermoelectric Inc.）、美国GE等公司在开发平板型SOFC上取得进展。
(1)较高的氧离子电导率，忽略电子电导率； (2)高温时有一定的相稳定性和机械强度； (3)气密性，要求其达到理论密度的95％以上；
对电解质的要求
(4)良好的抗热震动性；
(5)对于反应气体的化学稳定性： (6)固体电解质薄膜与电极和联接材料间的热膨胀系数的匹配。
目前可作为SOFC固体电解质材料主要有3类：氧化锆系电解质；氧化铈系电解质；LaGaO3钙钛矿系电解质。
固体氧化物燃料电池材料
固体氧化物燃料电池由三部分组成：电解质、阴极、阳极，阴、阳极因功能的差异而组成不同。
阴极材料
电池中的阴极又称为空气电极，即会暴露在氧气中。它的主要作用是集流体并有极高的还原氧化的点催化活性。

说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理

说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种高效、低污染的能源转换设备，具有广泛的应用前景。

它是一种固体电解质燃料电池，主要由阳极、阴极和固体电解质组成。

固体氧化物燃料电池的结构主要分为三个部分：阳极、阴极和固体电解质。

阳极是指与燃料接触的一侧，阴极是指与氧气接触的一侧，固体电解质则位于阳极和阴极之间，起到离子传导和电子隔离的作用。

通常，阳极使用镍-YSZ（氧化钇稳定的氧化锆）复合材料，阴极使用钇掺杂的钴酸钡（LSCF）或钇掺杂的锰酸钡（LSM）等材料，固体电解质则采用氧化锆（YSZ）或氧化镁钙（MgO）等材料。

固体氧化物燃料电池的工作原理基于氧化还原反应。

首先，燃料在阳极上发生氧化反应，将燃料中的电子释放出来。

这些电子通过外部电路流动，产生电流。

同时，燃料中的氧气离子在固体电解质中传输到阴极一侧。

在阴极上，氧气离子与电子再次结合，发生还原反应，生成水蒸气或二氧化碳等产物。

固体氧化物燃料电池的整体工作原理可以简化为以下几个步骤：1. 燃料输送：燃料（如氢气、天然气等）经过预处理后，通过燃料供应系统输送到阳极一侧。

2. 氧气输送：氧气通过氧气供应系统输送到阴极一侧。

在某些情况下，可以直接利用大气中的氧气作为氧化剂。

3. 氧化反应：在阳极上，燃料与氧气发生氧化反应。

例如，对于氢气燃料，氢气在阳极上与氧气离子结合，生成水蒸气和电子。

这些电子通过外部电路流动，产生电流。

4. 离子传导：氧气离子在固体电解质中传输到阴极一侧。

固体电解质具有高离子传导性能，可以有效地将氧气离子从阳极传输到阴极。

5. 还原反应：在阴极上，氧气离子与电子再次结合，发生还原反应。

例如，对于氢气燃料，氧气离子在阴极上与电子和氢气反应，生成水蒸气。

6. 产物排出：产生的水蒸气或二氧化碳等产物通过排气系统排出。

在某些情况下，还可以利用产生的水蒸气进行热回收。

固体氧化物燃料电池具有高效、低污染、可靠性高等优点，广泛应用于电力、交通和军事等领域。

固体氧化物燃料电池的原理及其应用

固体氧化物燃料电池的原理及其应用近年来，随着环境保护和能源危机的日益严重，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）作为一种高效、清洁、可再生的能源技术，备受瞩目。

它具有很高的能量转化效率、零污染的环保特点和多样化的应用领域，被认为是未来能源领域的重要发展方向。

本文将从原理和应用两个角度来探讨SOFC技术。

一、SOFC原理SOFC即固体氧化物燃料电池，是一种能够使用多种燃料（如天然气、煤气、液化气等）和氧气进行反应产生电力的电池。

其原理主要是通过将燃料和氧气送入反应室中，通过电化学反应产生电流。

其主要反应方程式如下：燃料（如氢气）+ 氧气—> 电子+ 水其中，燃料和氧气在反应室中通过电解质固体与电极（阳极和阴极）反应，产生水和电子。

当电子通过电极和外部负载流动时，产生了电流。

SOFC是一种高温电化学反应，其工作温度通常在800℃到1000℃之间。

SOFC的最大特点是其固体电解质层。

电解质层可以通过固体氧化物（如ZrO2、Y2O3等）制成，具有很高的氧离子传导性能。

在燃料和氧气的加热和加压作用下，燃料和氧气在电解质上发生反应，形成电子和氧离子，电子和氧离子在阳极和阴极上结合，与气体中的电子、氢离子、氧离子等反应，反应产生电能和水蒸气。

二、SOFC应用由于SOFC具有高效、清洁、可再生等特点，因此它具有广泛的应用前景。

以下是SOFC在不同领域的应用：1.家用电力：SOFC的高效率和燃烧的清洁性使其非常适用于发电机组的家庭应用。

这种技术能够产生清洁、高效的家庭电力，同时也不会产生污染。

2.卫星及航天应用：SOFC的高效率和可靠性使其非常适合卫星和太空探索任务。

在长时间的太空航行中，SOFC可以持续地提供电力。

3.军事应用：由于其燃烧过程几乎没有任何污染，SOFC技术在军事应用领域具有广泛前景。

例如，在现场设施中提供电力。

4.石油和天然气行业：固体氧化物燃料电池可用于石油和天然气行业内的天然气脱氢和移动式平台的发电。

固体氧化物燃料电池国家战略_解释说明以及概述

固体氧化物燃料电池国家战略解释说明以及概述1. 引言1.1 概述固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells，简称SOFC）作为一种高效、清洁、可持续的能源转换技术，近年来备受关注。

它采用固态氧离子传递机制，在高温条件下将化学能直接转化为电能，具有高效率和低碳排放的优势。

SOFC 不仅可以应用于传统能源工业和交通领域的革新升级，还有巨大的潜力在分布式发电、新能源储存和微型供电等领域发挥作用。

1.2 文章结构本文将从以下几个方面对固体氧化物燃料电池国家战略进行深入探讨。

首先，在引言部分给出了该文章的概述，并详细介绍了文章的主要内容以及目录结构。

其次，在第二部分中，我们将解释固体氧化物燃料电池的基本原理，包括其定义、工作原理以及反应方程式，并阐述其特点与优势。

然后，在第三部分中，我们将着重说明固体氧化物燃料电池在国家能源战略中扮演的地位和发挥的作用，对比其他清洁能源技术，并强调国家政策支持和战略规划。

接着，在第四部分，我们将总结过去几年固体氧化物燃料电池国家战略的执行情况，并展望其未来发展前景和规划目标。

最后，在结论部分，我们将对主要观点进行总结，并探讨固体氧化物燃料电池国家战略的意义和提出相关建议。

1.3 目的本文旨在深入探讨固体氧化物燃料电池国家战略，解释其原理与特性，并探究其在国家能源战略中的重要地位及作用。

此外，本文还将回顾过去几年该战略的执行情况，并对未来的科技突破和应用进展进行展望。

通过本文的撰写，旨在为读者提供关于固体氧化物燃料电池国家战略方面的全面了解，并提出相应的建议和意见以促进其持续发展与推广。

2. 固体氧化物燃料电池的基本原理:2.1 什么是固体氧化物燃料电池:固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种高效、环保的能源转换装置。

它将燃料气和氧气直接进行电化学反应，实现了从化学能到电能的转换。

固体氧化物燃料电池主要由阴极、阳极和电解质三个部分组成。

固体氧化物燃料电池SOFC

固體氧化物燃料電池（SOFC）研究進展和發展動態陳誦英王峰雲鄭淑芬2003.1-2003.9文獻調研報告------SOFC研究進展和發展動態陳誦英王峰雲鄭淑芬摘要毫無疑問，燃料電池是21世紀的新的二次能源裝置，是解決能源利用效率低和環境污染雙重問題的高新技術，保持人類文明持續發展的有效手段。

雖然在把燃料電池推向產業化方面，質子膜燃料電池跑在前面，但由於固體氧化物燃料電池（SOFC）具有比其高得多的能量利用效率，世界各國投入了大量人力、物力和財力來研究發展SOFC。

固體氧化物燃料電池是所有燃料電池中能量利用效率最高的，可達90%甚至超過100%，發電效率也能高達70%，因此在大量消耗能源的電力系統和交通運輸系統有很大的競爭力，其應用潛力很大。

作為固定發電站的發電機用大功率管式設計SOFC和平板式設計SOFC已進入批量生產，家庭辦公樓醫院商店等獨立用戶的數千瓦至數十千瓦電力外加數十千瓦至數佰千瓦熱量的熱電聯供系統（CHP）的平板式設計SOFC和在運輸工具上作為輔助電源用的數千瓦至數十千瓦的輔助電力單元（APU）的板式SOFC也已建立了中試生產線。

SOFC裝置能否象手機那樣為市場接受，關鍵是市場的接受程度而這又取決於SOFC的性能價格比。

多數市場研究者預言，SOFC裝置能象手機那樣在數年內為市場所接受，而且市場對SOFC裝置需求的容量非常大。

要把這些產品成功推向市場的關鍵是SOFC的製造成本，降低製造成本可從兩方面著手，一是使用低價格原材料和降低SOFC的燒製成本，二是使SOFC產品能大批量生產。

不少公司正在從這兩個方向努力。

本調研報告把重點放在與固體氧化物燃料電池相關材料特別是電解質材料和電極材料的研究發展和SOFC的燒制技術發展這兩方面。

在已研究發展的六類固體氧化物燃料電池電解質中，釔穩定氧化鋯（YSZ）、稀土金屬摻雜氧化鈰（RDC）、堿土摻雜鎵酸鑭（LSG）、摻雜氧化鉍、質子傳導SOFC電解質等五類是真正的電解質材料，另一類是材料設計就是把前五類電解質材料薄膜有選擇地組合起來形成多層薄膜電解質。

固体氧化物燃料电池(特点、结构组成、原理)

固体氧化物燃料电池（特点、结构组成、原理）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。

固体氧化物燃料电池特点固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。

在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

固体氧化物燃料电池结构组成固体氧化物燃料电池是一种新型发电装置，其高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等，是其广泛应用的基础。

固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode，fuel electrode)、阴极或空气极(cathode，air electrode)和连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)组成。

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。

在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。

在阴极一侧持续通人氧气或空气，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-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，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。

【备用干货】实例解析EIS如何用于固体氧化物燃料电池研究

烧结前
烧结初期
烧结中期
烧结末期
接触，相切形成颈部
颈部长大晶粒长大排出气孔
晶界
如何描述和处理？
圆台（棱台）模型
砖层模型
圆台（棱台）模型
烧结后的晶粒几何形状以不规则形状（包括变形的球体、截角多面体等），但在未致密前所有晶粒都具备中间较粗(腰部)而与其它晶粒相连的两侧则较细（颈部）的特征，较接近椭球形或两边细而中间粗的较长的形状。为了便于计算，用具有较好的对称性和最佳的可运算性的圆台和棱台来计算。而每个截面的面积都相同的棱台与圆台的电阻近似相等。为了便于计算，从一个双圆台形均匀导体模型出发进行推导。选取在圆台轴心方向连接和导电，假定晶粒内部各处的电阻率是相同的，晶界处的电阻率与晶粒内部略有差别。
550oC 650oC 700oC 750oC 850oC
35
40
Ce0.8La0.2-xYxO1.9系列电解质的电导率和电导活化能
样品
x=0 x=0.02 x=0.06 x=0.10 x=0.14 x=0.20
电导率, σ (S.cm-1 ×10-2)
活化能 (eV)
550C 600C 650C 700C 750C 800C 0.25 0.55 1.04 1.83 3.04 4.74 0.27 0.57 1.09 1.94 3.20 5.08 0.29 0.61 1.17 2.11 3.58 5.64 0.28 0.59 1.13 2.07 3.51 5.53 0.27 0.58 1.11 2.04 3.45 5.41 0.31 0.64 1.18 2.04 3.31 5.02
实例解析EIS如何用于固体氧化物燃料电池研究
报告内容
什么是交流阻抗谱（IS）？交流阻抗谱的测量技术阻抗谱测量的测量方式与参数选择交流阻抗谱的数据分析阻抗谱技术在SOFC研究中的应用实例

新型固态氧化物燃料电池的研究及应用

新型固态氧化物燃料电池的研究及应用新型固态氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell，SOFC）是一种基于固体电解质的燃料电池，它将氢气、甲烷等燃料和氧气从空气中传输到电池中，发生化学反应，产生电子和离子，经过电子流动，在外流电路中释放能量。

新型固态氧化物燃料电池，相比传统的燃料电池，有更高的效率，更低的排放，更长的使用寿命，成为未来清洁能源的主要研究方向之一。

一、研究1.1 原理新型固态氧化物燃料电池（SOFC）作为一种基于固体电解质的燃料电池，其本质原理是将燃料和氧气在电极和电解质之间进行氧离子传输，发生化学反应从而释放能量。

其原理比较简单，但技术含量密集，还需要解决很多问题，如电极和电解质的优化设计、材料的选择和制备等。

1.2 材料固体氧化物燃料电池（SOFC）主要有三种类型的电解质材料：氧化物、磷酸盐和固态电解质。

其中，氧化物电解质材料是使用最广泛的一种材料，其在高温下有良好的电导率和化学稳定性。

目前，高温单晶体电解质制备技术和多晶电解质烧结技术成为研究的热点，有望加速电池技术的发展。

1.3 组件新型固态氧化物燃料电池（SOFC）的最主要组成部分是电极、电解质和传导层。

电极用于导电和催化反应，电解质用于传递离子和稳定反应，传导层则用于传递电子。

二、应用2.1 发电新型固态氧化物燃料电池（SOFC）的适用范围比较广泛，主要应用于工业和家庭电力供应领域；在工业用途上，SOFC主要是通过发电为工厂提供电力；在家庭运用上，SOFC主要是通过取暖、空调等功能产生的过热水、发电和应用为一体的家用机组来实现家庭电力供应。

2.2 燃料制氢新型固态氧化物燃料电池（SOFC）的使用还可以促进燃料氢的制备。

其原理是将原本难以分解的化合物在高温的SOFC电解池中进行水解反应，还原出氢气。

这种方法可以让人们以更高效的方式获得氢气，为未来氢能源的发展提供支持。

值得注意的是，SOFC在此方面还需要长时间的测试和实验，以确定其可行性和应用性。

质子导体固体氧化物燃料电池

质子导体固体氧化物燃料电池质子导体固体氧化物燃料电池（Proton-conducting solid oxide fuel cell，简称PSOFC）是一种新型的燃料电池技术，具有高效能、低温操作和环保等优势。

它采用固体氧化物作为电解质，质子作为载流子，通过氧化还原反应将化学能转化为电能，可以广泛应用于电力供应、交通运输和可再生能源等领域。

PSOFC的核心部件是质子导体膜，它具有良好的质子传导性能。

质子导体膜材料通常是由氧化物化合物构成，如钙钛矿结构的BaCeO3、BaZrO3和SrCeO3等。

这些材料具有高的质子迁移率和化学稳定性，能够在较低的温度下实现高效能的电化学反应。

PSOFC的工作原理是将燃料和氧气（或空气）分别供给阴极和阳极，通过电解质层中的质子传导来完成氧化还原反应。

在阴极一侧，燃料（如氢气或可燃气体）与大气中的氧气发生反应，产生水和热能。

在阳极一侧，燃料被氧化并释放出电子和质子。

质子从阳极通过电解质层传导到阴极，与氧气反应生成水。

同时，电子通过外部电路产生电能，完成能量转化。

相比于传统的固体氧化物燃料电池（SOFC），PSOFC具有更低的操作温度。

传统的SOFC需要高温（800-1000℃）才能实现高效能的反应，而PSOFC在400-600℃的温度范围内即可工作。

低温操作使得PSOFC 具有更快的启动和热循环稳定性，减少了对材料的要求和制造成本，同时也提高了系统的安全性。

PSOFC的应用前景广阔。

首先，PSOFC可以作为独立的电源供应，用于替代传统的化石燃料发电。

其高效能和低温操作使得PSOFC在家庭、商业和工业领域都具有潜在的应用价值。

其次，PSOFC还可以应用于交通运输领域，如电动汽车和无人机等。

相比于传统的锂电池，PSOFC具有更高的能量密度和更短的充电时间，可以提供更长的续航里程和更快的充电速度。

此外，PSOFC还可以结合可再生能源，如太阳能和风能，实现可持续发电和储能系统。

交流阻抗-固体氧化物燃料电池

活化能, E (eV) 0.85
B 0.057 0.22 0.90 1.90 3.94 7.64 14.2 300-600
0.85
C
C 0.054 0.22 0.72 1.78 3.45 5.80 11.5
0.82
D 0.037 0.17 0.49 1.25 2.68 5.19 9.39
0.85
E 0.060 0.21 0.64 1.69 3.90 7.13
Electrical conductivity σ (S.cm-1×10-2)
550 600 650 700
Activity energy E (eV)
250-550 550-750
C C C C
C
C
X=0
0.77 1.36 2.10 2.89 0.86
0.69
X=0.05
0.84 1.40 2.22 3.16 0.84
lnσ T (S.cm-1K) lnσ T (S.cm-1K)
2
1300oC
1
1400oC
1500oC
0
1600oC
-1
-2
-3
晶粒
-4 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
1000/T (K)
4
1300oC
1400oC 2
1500oC
0
1600oC-2-4Fra bibliotek晶界-6
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
影响因素：
材料体系与晶体结构载流子类型
掺杂元素、掺杂量
合成方法
样品处理工艺
例：La、Y双掺杂氧化铈 Sm、Y双掺杂氧化铈
Xueqing Sha, Zhe Lü, et al. J. Alloys Compds., 428 (2007): 59–64 ; 424（2006）315-321 ;