燃料电池_3-6_固体氧化物燃料电池详解

优点：

能量转换效率高 固态电解质对硫污染的具有较高的耐受性更稳定 无污染，可实现零排放 全固态，无液态电极腐蚀和电解质液渗漏等问题 高温操作, 余热利用率高 不需要贵金属催化剂
2. SOFC的结构
阳极
阴极
电解质
2.1 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
我国硅酸盐固体氧化物燃料电 池取得突破

目前各类燃料电池中能量转化效率最 高的“陶瓷电池”，竟是一枚约1毫米 薄、巴掌大小的陶瓷片。从中科院上 海硅酸盐研究所获悉，该所固体氧化 物燃料电池小组在国内率先取得突破 进展，有能力将300片“陶瓷电池”层 叠串联，功率可满足一户普通家庭用 电需求。一块仅10厘米见方的陶瓷电 池单片。其关键夹层是一片以氧化锆 为主要成分的特种陶瓷，厚度为0.015 毫米，比纸还薄。陶瓷薄膜正面涂有 黑色的稀土金属复合氧化物，作为正 极；反面是一层较厚的绿色“金属陶 瓷”，作为负极。
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。
阳极材料及性能
（一）Ni-YSZ金属陶瓷阳极
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。
（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。
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
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
数相匹配。 （5）孔隙率
阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系
1. SOFC工作原理
外电路
氧化钇稳定的氧化锆膜作 为电解质，在高温下(9001000℃)传递O2-，在电池中 起着传导O2-、分隔氧化剂 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。
固体氧化物燃料电池 （ Solid oxide fuel cell---- SOFC ）
燃料电池分类

碱性燃料电池(Alkaline fuel cell ----AFC) ------氢氧化钾/钠为电解质

磷酸燃料电池(Phosphoric acid fuel cell------PAFC)
------浓磷酸为电解质

Байду номын сангаас
质子交换膜燃料电池 (Proton exchange membrane fuel cell-----PEMFC)
-----全氟或者部分氟化的磺酸型质子交换膜

熔融碳酸盐燃料电池 (Molten carbonate fuel cell MCFC) -----熔融的锂钾或锂钠碳酸盐为电解质

固体氧化物燃料电池 (Solid oxide fuel cell----- SOFC) --------氧化钇稳定的氧化锆膜为氧离子导体
（1）Ni-YSZ 金属陶瓷阳极的制备
管式SOFC通常采用化学气相沉积
-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
电极负载型平板型SOFC的阳极制
备一般采用轧膜、流延等方法。
轧膜法、rolled film：
一种陶瓷坯片的成型方法 粉料和有机黏结剂混合均匀 在两个反向滚动的轧辊上反复进行混练，使黏结剂和粉料充分均匀分布， 溶剂逐步挥发(必要时可开电风扇加速其挥发)，坯料由稀到稠，直至不粘轧 辊 混练好的坯料经过折迭、倒向、反复进行粗轧，将其中气泡排除，以获得 均匀一致的膜层 再逐渐缩小轧辊间的间距进行精轧，使之成为所需的薄膜(厚度可达十微米 至几毫米) 轧膜常用黏结剂为聚乙烯醇或聚醋酸乙烯酯等有机高分子化合物，有时还加入 分散剂，增塑剂等 轧膜成型的优点是工艺简便，轧出的膜片表面光滑，均匀，致密 反复轧膜，常会引入少量杂质，有时对产品电性能产生不利影响 费时也较长，不便连续化操作 主要用于薄片状电容器坯片、压电陶瓷扬声器(蜂鸣片)、滤波器坯片和厚膜电 路基板坯片等
Ni和YSZ在还原气氛中均具有较高的化学稳定性，
在1000℃以下几乎不与电解质YSZ及连接材料 LaCrO3发生反应。
在室温至SOFC操作温度范围内无相变产生。
（4） Ni-YSZ金属陶瓷的导电性
主要内容
1
SOFC的工作原理 SOFC的结构 SOFC研究现状
2
3
SOFC的发展：
1899 年，Nernst发明了固体氧化物电解质而宣告开始 1937年，Baur 和Preis制造了第一个在1000℃下运行的 陶瓷燃料电池 1962 年美国的Weissbart 和Ruka首次用甲烷作燃料, 为 SOFC 的发展奠定了基础 1986年, 400W管式SOFC 电池组在田纳西洲运行成功 1989 年又在日本东京、大阪煤气公司各安装了3kW级 列管式SOFC发电机组, 成功连续运行长达5000h, 这标志 着SOFC 研究从实验室规模向商业化发展又迈近了一步
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 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
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
SOFC阳极材料的基本要求：
（1）稳定性 在燃料气氛中，阳极材料必须在化学性质、