固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池
氧化物燃料电池的应用
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
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、
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(600～1000℃)，加快了电
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。
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）。
式目前较为成熟的一种形式。
平板式结构SOFC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
固体氧化物燃料电池和固态电池
固体氧化物燃料电池和固态电池嗨，大家好！今天我们要聊聊两个听上去很高大上的科技东西：固体氧化物燃料电池和固态电池。
别被这些名字吓到，其实它们也没那么复杂。
让我们一起揭开这两种电池的神秘面纱，看看它们的独特之处和实际应用吧！1. 固体氧化物燃料电池1.1 什么是固体氧化物燃料电池？好啦，我们先来搞清楚固体氧化物燃料电池（SOFC）是什么。
简单来说，这是一种利用化学反应来产生电能的设备。
它的工作原理有点像魔术——你把燃料和氧气放进去，它们在电池内部相遇，反应后就能产生电流。
SOFC的“秘密武器”是它的固体氧化物电解质，听起来很高科技吧？其实就是一种特别的陶瓷材料，它在高温下工作，能高效地把化学能转换成电能。
1.2 SOFC的优势和挑战SOFC的好处那是相当多的。
首先，它的效率高得让人咋舌，特别是在大功率应用中表现得特别出色。
它能使用多种燃料，比如天然气、氢气甚至一些废气，这可是其他类型电池望尘莫及的。
更妙的是，SOFC在运行时排放的废气少得可怜，对环境超级友好。
不过呢，它也有点儿小麻烦，比如说它需要高温才能正常工作，启动慢，就像是你早晨醒来的时候，得慢慢找回状态一样。
2. 固态电池2.1 什么是固态电池？接下来，我们来聊聊固态电池。
顾名思义，固态电池使用的是固态电解质，而不是液体或凝胶。
这就像是把你平时用的那种“水”换成了“干货”，而且这种干货能更稳定地存储电能。
固态电池的一个大优点就是安全性，它不像液体电池那样容易漏液，甚至不容易着火。
用它来做电池，就像是把生活中最稳定的东西用在了最重要的地方，安全感满满。
2.2 固态电池的优势和挑战固态电池的好处那可是多到可以开一场派对。
首先，它的能量密度比传统电池高，换句话说，它能存储更多的电能而不占用太多的空间。
这对于手机、汽车等需要长时间续航的设备来说，可是一个大大的好消息。
另外，固态电池的寿命也很长，不容易出现容量衰减，简直像是一位不易磨损的老朋友。
不过，它也有自己的小秘密——生产成本比较高，而且技术上还需要进一步攻关，就像是需要更耐心的工匠来精雕细琢。
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。
固体氧化物燃料电池
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。
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：
在ＳＯＦＣ中，ＹＳＺ的最重要的用途是制备成致密 的薄膜，用于传导氧离子和分隔燃料与氧化剂。 ＳＯＦＣ阴极－电解质－阳极“三合一”组件有两种 基本结构：电解质支撑型和电极支撑型。两种不同结构 “三合一”组件的电解质薄膜厚度不同。电解质支撑型的 ＹＳＺ薄膜厚度一般在０．２ｍｍ以上，电极支撑型的Ｙ ＳＺ薄膜厚度一般在５－２０μｍ之间。
阳极材料的基本要求：
（1）稳定性 在燃料气氛中，阳极必须在化学、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。
在ＺｒＯ２晶格中，每引 入Ｙ３＋，就有一个氧空
位产生。
Sr、Mg掺杂的LaGaO3 (LSGM)
ＬＳＧＭ电解质材料的合成通常采用高温固相反 应法。按化学计量比将Ｌａ２Ｏ３﹑Ｇａ２Ｏ３和掺 杂剂ＳｒＣＯ３ ﹑ＭｇＯ混合均匀，在１０００℃
焙烧３６０ｍｉｎ，将得到的粉料重新研磨，将粉
料在１５００结体；将烧结体在研钵内加入乙醇研磨１２
０ｍｉｎ，即可获得ＬＳＧＭ粉料。
ＬＳＧＭ的结构
ＬａＧａＯ３具有扭曲的钙钛 矿结构，倾斜的ＧａＯ６八面 Ｌａ位于正六面体的中心，组 成正交结构的晶胞。
固体氧化物燃料电池
（３）ＬＳＭ的导电性能 ＬａＭｎＯ３为本征半导体，电导率很低。如在室温下ＬａＭｎＯ
－４Ω－１ｃｍ－１，７００℃时为０．１ ３的电导率为１０
Ω－１ｃｍ－１。
但是，在ＬａＭｎＯ３Ａ位和Ｂ位掺杂地低价态的金属离子，会使材 料的电导率大幅度提高。在ＬａＭｎＯ３中掺杂ＳｒＯ，Ｓｒ２＋会代
替Ｌａ３＋增加Ｍｎ４＋的含量，从而大幅度提高材料的电子导电率。
SOFC的结构
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， 所以SOFC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，还必须具 有足够高的孔隙率，以确保燃料的供应及反应产物的排 除。 由于SOFC在中温、高温下操作，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。
（４）相容性 阴极材料必须在ＳＯＦＣ制备和操作温度下与电解质材 料、连接材料或双极板材料与密封材料化学上相容。
（５）热膨胀系数 阴极必须在室温至ＳＯＦＣ操作温度，乃至更高的
制备温度范围内与其他电池材料热膨胀系数相匹配。 （６）多孔性 ＳＯＦＣ的阴极必须具有足够的孔隙率，以确保活性位 上氧气的供应。
阴极材料及性能
二、特点
长时间不间断的工作; 能量转换效率可以达到50～80%； 工作时无噪音; 燃料可以是气体液体和固体. 与环境友好。
三 工作原理
电池含有阴阳两个电极，分别充满电解 液，而两个电极间则为具有渗透性的薄 膜所构成，氢气和氧气（空气）分别由 阳极和阴极进入燃料电池。经催化剂的 作用，氢气分解为氢离子和两个电子， 其中氢离子迁移到薄膜的另一边，电子 则经外电路形成电流后到达阴极。在阴 极催化剂的作用下，氢离子、氧气、电 子发生反应生成水。因此水是反应的唯 一排放物。
固体氧化物 燃料电池
固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高温燃料电池，其工作原理是利用固体氧化物作为电解质，将化学能直接转化为电能。
固体氧化物燃料电池通常由阳极、阴极和固体氧化物电解质层组成。
首先，让我们从固体氧化物燃料电池的工作原理角度来看。
在固体氧化物燃料电池中，燃料（通常是氢气、一氧化碳或甲烷）在阳极处发生氧化反应，释放出电子和离子。
这些离子通过固体氧化物电解质层传导到阴极，与来自外部电路的氧气发生还原反应，生成水和热能。
同时，电子流经外部电路，产生电能。
这种高温下的反应使固体氧化物燃料电池具有较高的能量转化效率。
其次，从固体氧化物燃料电池的优点和应用角度来看。
固体氧化物燃料电池具有高效率、低污染、燃料灵活性和较高的燃料利用率等优点。
它可以利用多种燃料，包括天然气、生物质气体和合成气等，因此在工业、交通和航空航天等领域具有广泛的应用前景。
此外，从固体氧化物燃料电池的发展和挑战角度来看。
固体氧化物燃料电池技术在高温操作、材料稳定性和成本等方面仍面临挑战。
然而，随着材料科学和工程技术的不断进步，固体氧化物燃料
电池正逐渐成为清洁能源领域的研究热点，未来有望成为替代传统
燃料电池和燃煤发电的重要技术。
总的来说，固体氧化物燃料电池作为一种高效、清洁的能源转
换技术，具有广阔的应用前景和发展空间。
通过不断的研究和创新，相信固体氧化物燃料电池将在未来发挥重要作用，推动清洁能源技
术的发展。
固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池燃料电池又叫连续电池，它在等温条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转变为电能燃料电池的发电原理：阳极进行燃料的氧化过程，阴极进行氧化剂的还原过程，导电离子在电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。
燃料电池的工作方式：燃料电池的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。
当电池发电时需要连续不断地向电池内输送燃料和氧化剂，排除产物和废热。
燃料电池的组成：(1) 电极。
为多孔结构，可由具有电化学催化活性的材料制成，也可以只作为电化学反应的载体和反应电流的传导体。
(2) 电解质。
通常为固态或液态，但也有关于NH3 气氛中NH4Cl 电解质的研究。
电解质的状态取决于电池的使用条件。
(3) 燃料。
可以是气态(氢气等)或液态(甲醇等)，在极少数情况下也可以是固态(碳)。
(4) 氧化剂。
选择比较方便，纯氧、空气或卤素都可以胜任，而空气是最便宜的。
燃料电池的特点：可长时间不间断地工作——这使燃料电池兼具普通化学电源能量转换效率高和常规发电机组连续工作时间长的两种优势。
高效——它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率在40-60%；如果实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。
环境友好——以纯氢为燃料时，燃料电池的化学反应物仅为水；以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。
安静——燃料电池运动部件很少，工作时安静，噪声很低。
可靠性高——碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。
燃料电池的类型：按电解质的性质分：1、碱性燃料电池，简称AFC。
2、质子交换膜燃料电池，简称PEMFC。
3、磷酸燃料电池，PAFC。
4、熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池 SOFC是以固体氧化物为电解质，如ZrO2、BiO3等，阳极材料是Ni-YSZ陶瓷，阴极材料主要采用锰酸镧材料，SOFC的固体氧化物电解质在高温下800～1000℃具有传递O2-的能力，在电池中起传递O2和分隔氧化剂与燃料的作用。
固体氧化物燃料电池
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 间连接形成电池堆，如左图所示。
■
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
材料作电流收集体。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
我国SOFC 的研制始于1971 年,当时中科院上海硅酸盐研 究所开展SOFC 的电解质材料和电极材料的研究. 近几年 来,国内吉林大学,清华大学,华南理工大学,科技大学,中国科 学院物理研究所,上海硅酸盐所,北京化冶所和大连化物所 分别开展SOFC 的相关材料,单电池组装及测试方面的研究 工作. 上海硅酸盐所在氧化锆电解质,电极材料和SOFC 单 电池制备研究方面开展了大量的工作,ห้องสมุดไป่ตู้连化物所90 年代 初开始固体氧化物燃料电池究,Pt/YSZ ,LSM/YSZ ,Ni2YSZ 等电极制备,性能优化以及电极上电化学过程进行了大量深 入的研究 ,提出LSM 电极中氧空位的形成机理,LSM + YSZ 复合电极中YSZ 的作用机理 . 研制出平板式单电池,用H2 或CH4 作燃料功率密度达到0. 15 W/ cm2.
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。
平板型SOFC
平板型固体氧化物燃料电池的几何 形状简单，其设计形状使得制作工 艺大为简化。平板式SOFC结构组 成如图3a所示。阳极、电解质、阴 极薄膜组成单体电池，两边带槽的 连接体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。
06《新能源材料》05固态氧化物燃料电池
阳极（燃料电极） 阳极（燃料电极）
使用金属镍（也可使用钴或钌） 使用金属镍（也可使用钴或钌）作为燃料 电极材料。 电极材料。 金属镍的热膨胀系数比电解质YSZ的热膨 金属镍的热膨胀系数比电解质YSZ的热膨 胀系数要大， 胀系数要大，而且金属镍在燃料电池的高 操作温度下易烧结导致燃料电极空隙率的 下降。 下降。 可以通过使镍颗粒分散于由YSZ形成的骨 可以通过使镍颗粒分散于由YSZ形成的骨 架上而得以解决。 架上而得以解决。
（一）管式设计SOFC的发展及应用 （一）管式设计SOFC的发展及应用
燃料电池出来的废气温度，一般在873燃料电池出来的废气温度，一般在8731173K之间。 1173K之间。 Siemens公司的管式设计的100kW SOFC在 Siemens公司的管式设计的100kW SOFC在 荷兰已运行了远超过14000小时 荷兰已运行了远超过14000小时 25kW的SOFC在日本运行了13194小时以上 25kW的SOFC在日本运行了13194小时以上
（二）平板式设计SOFC发展及应用 （二）平板式设计SOFC发展及应用
平板式设计的SOFC的电池堆结构 平板式设计的SOFC的电池堆结构
（二）平板式设计SOFC发展及应用 （二）平板式设计SOFC发展及应用
moble power system 25kW的SOFC系统 整个系统可装于一辆卡车上。 25kW的SOFC系统，整个系统可装于一辆卡车上。 系统，
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。
固体氧化物燃料电池
１＊ＹＳＺ旳构造
在ＺｒＯ２晶格中，每引入 Ｙ３＋，就有一种氧空位产 生。
２＊ＹＳＺ旳导电性 ＹＳＺ旳离子导电行为受多种原因旳影响，这些原因涉及掺杂浓度﹑温度﹑气 氛和晶界等。 （１）稳定剂掺杂量旳影响 ＺｒＯ２－９％（摩尔分数）Ｙ２Ｏ３旳电导率最 高。其他浓度时，每一种氧空位均被束缚在缺陷复合体中，迁移比较困难。 （２）温度旳影响 Ｙ２Ｏ３全稳定旳ＺｒＯ２旳电导率随温度旳变化符合阿伦 尼乌斯方程。 （３）气象分压旳影响 ＹＳＺ在很宽旳氧分压范围内离子导电率与气相氧分 压无关，且离子传递系数接近于１． （４）晶界旳影响 对小晶粒ＹＳＺ陶瓷，其晶界电导率不受晶粒尺寸到小地 影响，对于大晶粒ＹＳＺ陶瓷，晶界电导率随晶粒尺寸旳增长而下降。
▪ （3）金属陶瓷旳稳定性
▪
Ni和YSZ在还原气氛中均具有较高旳化学稳
定性，而且在室温至SOFC操作温度范围内无相
变产生。 Ni-YSZ在１０００℃下列几乎不与电
解质ＹＳＺ及连接材料LaCrO3发生反应。
（４）Ｎｉ－ＹＳＺ金属陶瓷旳导电性
Ｎｉ－ＹＳＺ金属陶瓷阳极旳导电率和其中旳Ｎ ｉ含量亲密有关。当Ｎｉ旳百分比低于３０％时Ｎｉ－ ＹＳＺ金属陶瓷旳导电性能与ＹＳＺ相同，阐明此时经 过ＹＳＺ相旳离子导电占主导地位；但当Ｎｉ旳含量高 于３０％时，因为Ｎｉ粒子相互连接构成电子导电通道， 使Ｎｉ－ＹＳＺ复合物旳电导率增大三个数量级以上， 阐明此时Ｎｉ金属旳电子电导在整个复合物电导中占主 导地位。
SOFC旳构造
1）阳极
阳极旳主要作用是为燃料旳电化学氧化提供反应场合， 所以SOFC阳极材料必须在还原气氛中稳定，具有足够高 旳电子电导率和对燃料氧化反应旳催化活性，还必须具 有足够高旳孔隙率，以确保燃料旳供给及反应产物旳排 除。
固体氧化物燃料电池
３＊ＹＳＺ的化学稳定性和热膨胀系数 在ＳＯＦＣ的操作温度范围内，ＹＳＺ不与其它电池材料发生化学反应。在高 温下，ＹＳＺ与ＬＳＭ发生反应，在界面处生成不导电相。必须将这种反应 降至最低，以免造成电池性能的下降。 未掺杂的ＺｒＯ２在２０～１１８０℃温度范围内的热膨胀系数为８．１２＊ １０－６ｃｍ／（ｃｍ＊Ｋ）．掺杂的ＺｒＯ２通常具有较高的热膨胀系数．
（２）ＬＳＭ的结构
Ｍｎ和Ｏ离子构成ＭｎＯ６八面体结构，而八个Ｍｎ Ｏ６通过共用Ｏ离子分布于立方体的八个顶点上。Ｌ ａ离子位于立方体的中心。
（３）ＬＳＭ的导电性能
ＬａＭｎＯ３为本征半导体，电导率很低。如在室温下ＬａＭｎＯ ３的电导率为１０－４Ω－１ｃｍ－１，７００℃时为０．１ Ω－１ｃｍ－１。 但是，在ＬａＭｎＯ３Ａ位和Ｂ位掺杂地低价态的金属离子，会使材 料的电导率大幅度提高。在ＬａＭｎＯ３中掺杂ＳｒＯ，Ｓｒ２＋会代 替Ｌａ３＋增加Ｍｎ４＋的含量，从而大幅度提高材料的电子导电率。
目前国际上的示范电站规模已达到 1~2MW,如美国在加利福尼亚州进行了 2MW试验电厂,日本月光计划进行了1MW试 验电厂,瑞典进行了4MW生物质燃料MCFC 发电厂的模拟研究。
但试验结果发现电解质隔膜烧结、阴极 溶解、阳极蠕变、双极板腐蚀、电解质流 失等问题是制约其商品化的核心问题。
由电极反应反应可知，MCFC的导电 离子为CO32-。在阴极，二氧化碳为反 应物，在阳极，二氧化碳为产物。
固体氧化物燃料电池名词解释
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一种新型的高效、环保的能源转换装置，它能将化学能转化为电能。
它的工作原理是通过将燃料（通常是天然气或者煤气）和氧在一个固态电解质中进行反应，产生电流和水蒸气。
固体氧化物燃料电池的主要部件包括：
•加热器：负责将燃料加热到适当的温度，使其与氧在电解质中反应。
•燃料供应系统：负责将燃料供应到加热器中。
•氧供应系统：负责将氧供应到电解质中。
•固体电解质：是一种能够在高温下与氧反应的固态物质，常用的固体电解质包括氧化钨、氧化铌等。
•电极：负责将电子传递到外部电路中。
•散热器：负责将反应产生的热量散热到环境中。
固体氧化物燃料电池具有高效率、环保、无污染等优点，因此被广泛应用于工业、交通运输、住宅等领域。
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• 单电池生产工艺
• 对单电池生产工艺的要求，除产品的质量和性能以外，还 必须考虑成本。目前多数采用传统的陶瓷工艺，如流延法、 辊压法、丝网印刷等等，制作单电池的生胚，随后通过烧 结制成多孔电极和致密电解质一体的陶瓷单电池片。从成 本的角度考虑，一次烧结，即电极和电解质多层体的共烧 结，是急需解决的技术难关之一。由于电极和电解质材料 热膨胀系数的差异、致密度的不同要求以及它们之间可能 在烧结过程中形成高电阻化合物等，使得共烧结技术至今 还没有得到应用。 • 另一个值得深入研究的单电池制作工艺是热喷涂。在所选 择的基体上，喷涂形成多孔电极和致密的电解质。这一技 术的最大优点是生产周期短，可望极大地降低单电池的生 产成本。此外，界面结合牢固，而且避免了高温烧结中可 能产生的不良固体反应。更重要的是，这一工艺避免了高 温烧结，使得金属可以比较方便地成为单电池的支撑材料， 从而能够极大地提高支撑体的导电性，降低SOFC的欧姆损 耗。
• 热循环
• 目前对于SOFC的寿命设计要求是40000小时。在40000 小时内，某些不可避免的故障会使得SOFC停止工作、 温度降低。因此，在设计中同时要求SOFC能够经历10 次以上的在室温和工作温度之间的热循环。在每次热 循环中，电池堆中的每个部件同时经历一次热胀冷缩。 由于热膨胀系数的差异，部件间可能产生相对位移， 导致单电池分层、密封材料破裂、单电池断裂、接触 界面破坏等等，最终使得SOFC的性能衰减速率增加， 以致停止工作。由于影响因素复杂，热循环对电池堆 性能衰减的作用机制至今还没有明确的答案，但可以 肯定，其作用机制与电池堆的设计密切相关。
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 池硅片上。
氧化物染料电池的优点
• (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(600～1000℃)，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
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，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。
固体氧化物染料电池
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
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100μm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%。
• 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。
• 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。
• Ru氧化物
固体氧化物电解质
• 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 • 主要有两种掺杂类型：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
ZrO2基 固体电 解质
Bi2O3基 电解质
CeO2基 电解质 LaGaO3 基电解 质
• 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%
氧化物燃料电池的应用
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
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%，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
氧化物染料电池存在的问题
• 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。
SOFC结构
阴极（cathode）
固体电解质 （solidelectrolyte）
阳极（anode）
互连接 （interconnector）
SOFC
金属及金 属陶瓷
钙钛矿结 构氧化物 其他阴极 材料
• 金属Pb, Pt，Rh • 金属陶瓷Pt-SSZ
• Mn基材料 LSM（锰酸镧） • Co基材料 钴酸镧 • Fe基，Cu基材料
平板式结构SOFC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，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高，损失大。
据美国物理学家组织网11月17日报道， 美国哈佛大学的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。
氧离子电导燃料电池化学反应示意图
SOFC工作原理
• 和一般染料电池一样，SOFC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 作温度较高，一般在800—1000℃，由阳极、阴 极及两级间的电解质组成。在阳极一侧持续通 入燃料气，如 H2，CH4、，煤气等，具有催化作 用的阳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 一侧持续通入氧气或空气，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-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面，与燃料气体发生反 应，失去的电子通过外电路回到阴极。
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）。
• 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