功能材料--固体氧化物燃料电池
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阳极反应：O2 + 4e → 2OLeabharlann Baidu阴极反应：H2 (g) + O2-→ H2O (g）+ 2e 总 反 应 ：2H2 + O2→ 2H2O
SOFC的结构 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。 由于SOFC在中温、高温下操作，阳极材料 还必须与其他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。
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 SOFC 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： 电流通过的路径较长，限制了SOFC的性能。
谢谢！
新功能材料-----新功能材料
固体氧化物燃料电池
学 生：陈晓 日 期：2012.4.9
目录
•简 介 • 原理及结构组成 • SOFC分类 • 特点 • 发展及应用
固体氧化物燃料电池简介
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。
• SOFC作为大型发电厂，采用电池余热驱动 涡轮机系统，能量利用率可以达到70%80%以上，这是SOFC高效率的充分体现， 也是其他燃料电池不可比拟的； • SOFC适合作为分散式电源供电，并实现电 热连供，简易、安全、方便； • SOFC还可以作为备用电源，以应付突然停 电等突发事件； • SOFC作为移动式电源，可以为大型车辆提 供辅助动力源。
阴极材料及性能
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，阴极 材料必须具有以下的性质：稳定性好、电导率 高、相容性好、热膨胀系数相匹配、足够的孔 隙率等。
一）Sr掺杂的LaMnO３（LSM）
阳极材料及性能
（一）Ni-YSZ金属陶瓷阳极
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。
（二）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，并且在SOFC的操作温度下保 持阳极的多空结构及调整电极的热膨胀系 数使其与其他电池组件相匹配。在这种金 属陶瓷复合阳极中，YSZ作为金属Ni的载 体，可有效防止在SOFC操作过程中金属 粒子粗化。
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%。
发展及应用
• 经过几十年的研究,SOFC技术已经取得了很大的进步,但仍 然有许多关键性的问题需要解决。首先是降低SOFC的工作 温度,这就要求制备薄且致密的电解质以降低电池的内阻,并 开发中低温下电导率高的新型材料。 • 开发与电解质相匹配且电子和离子电导率高的新型电极,目 前主要的研究工作是改进制备工艺和对已有电极材料进行 掺杂改性,或开发新的材料体系。 • 为了使低成本的碳氢燃料得到广泛的应用,解决积碳问题也 是非常重要的方面。通过对已有的阳极材料进行稀土元素 的掺杂已取得了一定的成果,但仍需进一步的研究。
平板型SOFC的优点： “三合一”组件制备工艺简单，造价低， 由于电流收集均匀，流经路径短，使平板型电 池的输出功率密度较管式高。 平板型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―800℃后，可以在很大程度上扩 展电池采用的选择范围、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。
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。
LSM具有在氧化气氛 中电子电导率高﹑与 YSZ化学相容性好等 特点，通过修饰可以 调整其热膨胀系数， 使之与其他电池材料 相匹配。
SOFC分类
一）平板型SOFC
平板型SOFC的空气 /YSZ固体电解质/燃料 电极烧结成一体，组 成“三合一”结构， 其间用开设导气沟槽 的双极板连接，使其 间相互串联构成电池 组。
SOFC的结构 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。 由于SOFC在中温、高温下操作，阳极材料 还必须与其他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。
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 SOFC 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： 电流通过的路径较长，限制了SOFC的性能。
谢谢！
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固体氧化物燃料电池
学 生：陈晓 日 期：2012.4.9
目录
•简 介 • 原理及结构组成 • SOFC分类 • 特点 • 发展及应用
固体氧化物燃料电池简介
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。
• SOFC作为大型发电厂，采用电池余热驱动 涡轮机系统，能量利用率可以达到70%80%以上，这是SOFC高效率的充分体现， 也是其他燃料电池不可比拟的； • SOFC适合作为分散式电源供电，并实现电 热连供，简易、安全、方便； • SOFC还可以作为备用电源，以应付突然停 电等突发事件； • SOFC作为移动式电源，可以为大型车辆提 供辅助动力源。
阴极材料及性能
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，阴极 材料必须具有以下的性质：稳定性好、电导率 高、相容性好、热膨胀系数相匹配、足够的孔 隙率等。
一）Sr掺杂的LaMnO３（LSM）
阳极材料及性能
（一）Ni-YSZ金属陶瓷阳极
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。
（二）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，并且在SOFC的操作温度下保 持阳极的多空结构及调整电极的热膨胀系 数使其与其他电池组件相匹配。在这种金 属陶瓷复合阳极中，YSZ作为金属Ni的载 体，可有效防止在SOFC操作过程中金属 粒子粗化。
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%。
发展及应用
• 经过几十年的研究,SOFC技术已经取得了很大的进步,但仍 然有许多关键性的问题需要解决。首先是降低SOFC的工作 温度,这就要求制备薄且致密的电解质以降低电池的内阻,并 开发中低温下电导率高的新型材料。 • 开发与电解质相匹配且电子和离子电导率高的新型电极,目 前主要的研究工作是改进制备工艺和对已有电极材料进行 掺杂改性,或开发新的材料体系。 • 为了使低成本的碳氢燃料得到广泛的应用,解决积碳问题也 是非常重要的方面。通过对已有的阳极材料进行稀土元素 的掺杂已取得了一定的成果,但仍需进一步的研究。
平板型SOFC的优点： “三合一”组件制备工艺简单，造价低， 由于电流收集均匀，流经路径短，使平板型电 池的输出功率密度较管式高。 平板型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―800℃后，可以在很大程度上扩 展电池采用的选择范围、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。
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。
LSM具有在氧化气氛 中电子电导率高﹑与 YSZ化学相容性好等 特点，通过修饰可以 调整其热膨胀系数， 使之与其他电池材料 相匹配。
SOFC分类
一）平板型SOFC
平板型SOFC的空气 /YSZ固体电解质/燃料 电极烧结成一体，组 成“三合一”结构， 其间用开设导气沟槽 的双极板连接，使其 间相互串联构成电池 组。