SOFC简介固体燃料电池
车用固体氧化物燃料电池
车用固体氧化物燃料电池车用固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)是一种使用固体氧化物作为电解质的燃料电池,它可以直接将燃料中的化学能转化为电能,同时产生少量的热能。
这种燃料电池具有高效率、低排放、燃料灵活性等优点,因此被认为是一种具有潜力的新能源汽车动力源。
固体氧化物燃料电池的工作原理是,在电解质两侧分别设置燃料电极(阳极)和氧化剂电极(阴极),通过电解质传递氧离子,从而在电极上发生氧化还原反应,产生电能。
由于固体氧化物电解质具有高离子导电性和高温稳定性,使得固体氧化物燃料电池可以在高温下工作,从而提高电池效率和燃料灵活性。
车用固体氧化物燃料电池的优点包括:1.高效率:由于燃料电池直接将燃料中的化学能转化为电能,不受卡诺循环限制,因此能量转化效率可以达到很高,甚至超过传统内燃机的效率。
2.低排放:燃料电池的排放物主要是水蒸气和少量的二氧化碳,相比传统内燃机的尾气排放,对环境的影响更小。
3.燃料灵活性:固体氧化物燃料电池可以使用多种燃料,包括氢气、天然气、甲醇、乙醇等,这使得它在燃料选择上更加灵活。
然而,车用固体氧化物燃料电池也存在一些挑战和限制:1.高温工作:固体氧化物燃料电池需要在高温下工作,一般在600-1000℃之间,这使得电池系统的热管理和材料选择变得更加复杂。
2.启动时间长:由于需要在高温下工作,车用固体氧化物燃料电池的启动时间相对较长,这可能影响到车辆的快速响应能力。
3.成本问题:目前,车用固体氧化物燃料电池的制造成本仍然较高,主要原因是生产工艺复杂、材料成本高以及生产规模相对较小。
总的来说,车用固体氧化物燃料电池是一种具有潜力的新能源汽车动力源,但还需要在降低成本、提高性能等方面进行更多的研究和改进。
sofc应用场景
sofc应用场景固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell),简称SOFC,是一种高效、环保、稳定的电化学设备,其单体构成由金属阳极、钙钛矿基质、氧离子传导体和金属阴极四部分组成。
SOFC是一种高温燃料电池,其工作温度通常在800℃以上,能够直接将化学能转化为电能,同时也能够转化为高品质热能。
SOFC的应用领域非常广泛,下面我们就来详细了解一下SOFC的应用场景。
一、分布式能源系统SOFC是分布式能源的理想选择,它可以利用天然气、生物质等清洁能源作为燃料进行高效、环保的发电。
SOFC在小规模发电方面应用非常广泛,如工业园区、商业区、家庭等区域的独立发电。
SOFC 还可以作为建筑、城市和区域的众多分布式能源系统中的组成部分,为智能绿色城市的建设做出贡献。
二、电动汽车三、工业领域SOFC也被广泛应用于工业生产领域,如钢铁、陶瓷等行业。
SOFC可以作为高效稳定的热电联产设备应用在生产过程中,将产生的废热利用起来,减少能源浪费和环境污染。
同时,利用SOFC可以为工业生产提供供热、供气、照明等多种服务,可以节约能源,并且提高生产效率。
四、电力系统SOFC也可以与传统的发电方式相结合,构建混合动力发电系统,提高整个发电系统的效率和稳定性。
SOFC 不仅可以利用可再生能源进行发电,还可以与天然气等化石能源结合使用,充分利用发电系统的效益。
五、应急备用电源SOFC还可以作为应急备用电源,为救援行动、灾难抢险、重要设施保护等应急情况提供可靠的电力供应。
在没有电力供应的情况下,SOFC 可以提供迅速可靠的电力支持,提高紧急情况下的应对能力。
综上所述,SOFC的应用场景非常广泛,它可以应用于分布式能源系统、电动汽车、工业和电力系统、以及应急备用电源等领域,有效帮助减少全球能源消耗和环境污染,为建设智能绿色城市提供了强有力的支持。
管式固体氧化物燃料电池
管式固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,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直接转化成电能的全固态化学发电装置。
固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极组成。
固体氧化物燃料电池主要有平板型和管式两个结构。
与平板式固体氧化物燃料电池相比,管式固体氧化物燃料电池(Tubular SOFC)的优点是密封容易,抗热震能力强,对负载反应迅速,规模容易放大,是一种可能最早实现商业化的结构形式。
管式固体氧化物燃料电池的成型工艺是控制其成本的关键。
目前,国际上管式固体氧化物燃料电池主要以阴极作为支撑体,采用挤出法成型,电解质和阳极采用EVD 或等离子喷涂(plasma Spraying)的方法成型,其使用的设备复杂,工艺要求高,制造成本高。
采用浸渍法可以制备一端封闭、一端开口的阳极支撑型管式固体氧化物燃料电池。
管式固体氧化物燃料电池,由3-5层功能层组成,即在传统的由内到外依次为支撑阳极层,固体电解质层,活性阴极层的基础上,通过在支撑阳极层与固体电解质层之间增加活性阳极层和/或在活性阴极层外增加收电阴极层来提高电池的性能。
其中,支撑阳极为NiO-YSZ,支撑阳极层厚度500-2000μm,提供足够的强度和电导率;活性阳极为NiO-YSZ或NiO-SSZ,活性阳极层厚度10-30μm;固体电解质为 YSZ或SSZ,电解质层厚度5-30μm,提供氧离子导电性并分隔燃料气和氧化气;活性阴极为LSM与电解质的混合粉体,活性阴极层厚度10-30μm,活性阳极层和活性阴极层通过增加三相界面的长度来改善电化学性能;收电阴极为LSM或LSCF,收电阴极层厚度20-30μm,提供足够的电子电导率;这些功能层均采用单一的浸渍法来完成;且管式固体氧化物燃料电池长度≥100mm,外径≥8mm,达到实用化尺寸。
浸渍法制备管式固体氧化物燃料电池的优点有:(1)工艺简单,浸渍方法操作简单、易行、重复性好,易于掌握;(2) 制造成本低,完全用一种简单的浸渍法来成型完整的管式固体氧化物燃料电池,既不需要庞大的设备,也不需要严格的气氛控制;(3)通过控制浸渍次数和浆料的浓度,可以大体控制管式SOFC各功能层的厚度;。
固体氧化物燃料电池氧化物电解质
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、清洁的能源转换装置,其关键部件之一是氧化物电解质。
氧化物电解质在SOFC中起着至关重要的作用,它能够在高温下传导氧化物离子,并且具有较高的离子传导性能和化学稳定性。
1. 氧化物电解质的基本原理氧化物电解质是一种固体电解质,其主要功能是在高温条件下导电,为氧化物离子的传输提供通道。
在SOFC中,氧化物电解质通常采用氧化锆、氧化钇稀土等材料制备而成。
这些材料具有良好的离子传导性能和化学稳定性,能够确保电解质在高温下不发生损坏和漏氧现象。
2. 氧化物电解质的优势与液体电解质相比,固体氧化物电解质具有一系列的优势。
固体氧化物电解质具有较高的离子传导性能,可在高温下快速传输氧化物离子,从而提高燃料电池的效率。
固体氧化物电解质具有较高的化学稳定性,能够在高温和氧化环境下稳定运行,不易受到腐蚀和损伤。
固体氧化物电解质还克服了液体电解质挥发和泄漏的问题,使得电解质的稳定性得到了更好的保障。
3. 氧化物电解质的制备方法目前,固体氧化物电解质的制备主要采用了固相烧结、溶胶-凝胶、离子交换膜等技术。
固相烧结是一种较为传统的制备方法,通过将氧化物粉末在高温下烧结成块状电解质材料。
溶胶-凝胶法则是一种新兴的制备方法,其可以通过溶胶的形式控制材料的形貌和结构,制备出具有较高表面积和较好性能的电解质材料。
离子交换膜法则是一种较为新颖的制备方法,通过离子交换膜向电解质材料中引入其他元素,从而提高其离子传导性能。
4. 氧化物电解质在SOFC中的应用固体氧化物电解质在SOFC中起到了至关重要的作用,其主要应用于电解质层的制备。
电解质层是SOFC中的关键组成部分,它能够有效地传导氧化物离子,并将燃料气体和氧化剂气体隔离开来,防止两者之间的交叉污染。
固体氧化物电解质的应用不仅能够提高电解质层的稳定性和传导性能,还能够为SOFC的长期稳定运行提供保障。
5. 氧化物电解质的发展趋势随着科学技术的不断进步,固体氧化物电解质也在不断发展和完善。
固体氧化物燃料电池的工作原理
固体氧化物燃料电池的工作原理固体氧化物燃料电池(SOFC)可真是一项神奇的技术!如果你对这个名字感到陌生,没关系,今天我们就来聊聊它是怎么工作的,别担心,不会让你变成科学家,只想让你了解其中的奥妙,顺便插入一些小幽默,让你轻松愉快地掌握这些知识。
1. 燃料电池的基本概念1.1 什么是固体氧化物燃料电池?首先,咱们得搞清楚,什么是固体氧化物燃料电池。
简单来说,它是一种能把化学能转换成电能的装置。
就像是把你的午餐变成能量一样,不过这里的“午餐”是氢气或其他燃料,听起来是不是挺酷的?这东西不需要像传统电池那样充电,只要有燃料源源不断地提供,就能持续发电,简直是“发电机器”的一种神奇升级版。
1.2 工作原理大揭秘那么,SOFC是怎么工作的呢?这就要从它的构造说起了。
它的核心部分其实很简单,由一个固体电解质和两个电极组成。
电解质就像是门卫,只有特定的小分子才能通过。
而电极就像是两个派对的主办方,一个负责提供电子,另一个则负责接收这些电子,大家在这里欢快地交换能量。
2. 燃料的“调配”2.1 燃料的选择我们先来看看燃料。
SOFC的燃料可多了,氢气、天然气、甚至是生物质气体都可以用!就好比你在点餐,选什么都行,只要你能接受。
燃料在电池内部经过化学反应,会释放出氢离子和电子。
这就像是炸弹一样,电子冲出去了,能量立马释放,产生电流。
2.2 反应的进行当氢离子从负极(阳极)通过固体电解质跑到正极(阴极)时,电子却要绕个大圈才能到达正极,这样才能形成完整的电路。
你想想,这就像是在参加接力赛,离子们一路狂奔,电子们却得走小路,真是有趣啊。
最后,这些氢离子和氧气结合,产生水蒸气,这也是SOFC的“副产品”,环境友好,不污染,简直是“绿色先锋”。
3. 优缺点分析3.1 优点说到SOFC的优点,真是数不胜数。
首先,效率高,转换率可以达到60%甚至更高,放眼整个燃料电池家族,简直是佼佼者。
其次,燃料来源广泛,不局限于氢气,让你选择的余地大得很,像是“万花筒”一样丰富多彩。
SOFC简介(固体燃料电池)
谷肄静 2014.9.16
主要内容
SOFC的发展背景及研究意义 SOFC概述 SOFC的组成及关键材料
1.1 发展背景
Energy
Economy
Environment
1.1 发展背景
时代 远古时期 18世纪60年 代
第一次
19世纪70年 代以后
第二次
日本
SOFC研究是“月光计划”的一部分。电子综 合技术研究所、富士电机综合研究所、三洋 电机、三菱重工及多家大型电力公司和煤气 公司都开展了SOFC的研制和试验工作。 KEPCO是日本最大的能源公司之一,该公 司于2001年开始与MMC合作开发600~800 ℃中温SOFC,2004年以来,在NEDO的资 助下,致力于开发用于固定电站的10kW级 板式中温SOFC以及10 kW级CHP系统,并 有述
SOFC工作原理及分类 SOFC发展历史 SOFC发展现状 SOFC发展规划
SOFC发展历史
1839年, William Grove 发现了燃料电池,可以利用装置 将氢气和氧气的化学能转化为电能。
SOFC发展历史
1889年,Nernst发明Nernst灯。
SOFC发展历史
出现了许多新兴 工业部门,重工 业为主,电气化 时代到来;进入 帝国主义阶段 持续破坏 计算机、空间技 术出现、第三产 业比重增加,主 要工业国家经济 的迅速发展 很差,开始治理
环境
良好
研究意义
——对策
如何实现人类生存环境的改善和经济的可 持续发展 ?
——减少煤和石油的使用,发展可替代能源和新 型发电技术。
SOFC发展历史
1970年,电化学气相沉积技术开发成功,Isenberg 将燃料电池技术向前推进了一大步。 1981年,H.Iwahara首先报道了质子型导体材料钙 钛矿型掺杂SrCeO3。 1983年,Argonne国家实验室研究并制定了共烧的 平板式电池堆。 1986年,西屋公司首次制造了324根单电池组成的 5kW的SOFC发电机。 1998年1月,在荷兰Westervoort附近开始运行了一 台1152个单电池组成的100kW的SOFC发电系统。 2000年,澳大利亚Ceramic Fuel Cells公司制备了 一个以天然气为燃料的25kW的平板式电池系统, 由3840块电解质制成的单电池(11cm*9cm)组成。
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(SOFC)
电极材料 :
SOFC中电极有阳极和阴极之分,阳极位于燃料气一侧,而阴 极位于氧气一侧。
阳极材料:目前普遍采用Ni-YSZ材料为阳极材料,它具有催 化活性高、价格低等优点。
阴极材料:目前,SOFC中广泛采用的阴极材料是锶掺杂的 亚锰酸镧(LSM)钙钛矿型材料.因为它具有高的电子电导 性、电化学活性和与YSZ相近的热膨胀系数等综合优良性 能。
不适用于交通工具与随身携带
SOFC的结构:
SOFC主要由电解质层、阳极和阴极所组成,在电解质两侧 加上阳极和阴极,成为三明治式结构,这是SOFC的最基本 的结构之一。
SOFC的三明治式结构 根据电解质膜形状的不同,SOFC结构可分为:平板式、管 式、瓦楞式、块状式,还有经过改造的S型。
平板式结构
固体氧化物燃料 电池
固体氧化物燃料电池(SOFC)
燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂 中的化学能转换为电能的高效发电装置。
阳极 燃 料
电解质
阴极 氧气
水、 尾气
水、 尾气
SOFC的优点:
① 发电效率高,直接把化学能转变为电能,不受卡若循环 的限制,理论效率可达80%; ②可使用多种燃料:氢气、甲烷、天然气;
③排放高温余热可进行综合利用,易于实现热电联产,燃 料利用率高
④低噪声,低排放,是清洁能源; ⑤重量轻,体积小,比功率高(600W/Kg)。有较高的电 流密度和功率密度,较小的极化损失和欧姆损失; ⑥不用贵金属,不存在液态电解制腐蚀及封接问题
SOFC的问题:
操作温度高导致电池启动慢,需要更多的保温设备以维持电 池高温
瓦楞状结构
S型结构 管式结构
1-支撑体;2-蛇形沟槽;3-阳极;4-电解质;5-阴极
SOFC的工作原理:
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(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种能够将化学能直接转化为电能的高温燃料电池。
相较于其他燃料电池技术,SOFC具有高效率、低污染、多燃料适用性等优点,被广泛认为是一种有潜力的清洁能源技术。
一、SOFC的基本原理SOFC的工作原理基于氧离子导体材料。
它由质子传导固体氧化物电解质层和阴阳极两侧的电极组成。
当燃料气体(如氢气、天然气等)通过阳极进入与电解质层接触的区域时,发生氧化反应,将氢气转化为水蒸气,并释放出电子。
同时,电解质层中的氧离子受到激活,并通过质子传导固体氧化物电解质层向阴极迁移。
在阴极一侧,氧离子与电子再次结合,与进入燃料电池的氧气反应生成水蒸气。
这个反应过程中释放出的电子可以通过外部电路流动,产生电流,完成电能转化。
二、SOFC的优点1.高效率:SOFC的能量转化效率可达50-70%,远高于燃烧发电等传统能源转化方式。
这主要归功于其高温操作,可在高达800-1000摄氏度的条件下工作,从而最大程度地提高热能利用效率。
2.低污染:SOFC的主要排放物为水蒸气,几乎不产生二氧化碳等温室气体以及大气污染物。
在实际应用中,SOFC还可以通过余热回收、碳捕集与封存等技术进一步减少污染排放。
3.多燃料适用性:与其他燃料电池技术相比,SOFC的燃料适用性更广泛,可以直接利用氢气、天然气、生物质气体等多种燃料。
4.长寿命:SOFC主要由陶瓷和金属材料组成,具有较高的耐久性。
相对于其他燃料电池类型,SOFC的寿命更长,可达数万小时。
三、SOFC的应用领域1.电力站:SOFC可以用作分散式发电系统,为工业和居民区提供电力。
其高效率和低污染使其成为清洁、可靠的能源供应方案。
2.燃料电池车辆:SOFC可以与汽车燃料电池系统相结合,提供高能量密度的能源,延长汽车续航里程,减少尾气排放。
3.制氢:SOFC可以通过水蒸气和电能反应制氢。
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。
SOFC
美国阿贡国家实验室还研究开发了叠层波纹板式 SOFC 电池堆,并开发出适合于这种结构材料成 型的浇注法和压延法。 这种结构可省去支撑体,使电池能量密度显著提 高,是比较有前途的SOFC结构。
SOFC国内外研究与开发现状
管型SOFC是目前最接近商业化的 SOFC发电技 术。西门子-西屋(Siemens Westinghouse)动力公司 (SWPC)是高温管式SOFC技术的先锋。 该公司已经制造和运行了多套标称功率至 220 kw 的完整电站系统。 如该公司于 1998 年 3 月生产了置于南加利福尼亚 Edison 的 25kw 联合循环 SOFC 发电系统;于 2001 年在荷兰成功地完成了 100kw 电站的连续 16612h 的运行试验;薄壁多孔支撑管型SOFC单电池已经 连续试验运行7年以上(>69000h)。
目前该公司已经形成 l Mw/ 年的生产能力,并 开始向市场提供5kw汽车辅助电源。 在欧洲,包括德国、法国、荷兰、英国、西斑 牙、丹麦等多个国家开展 SOFC 的研究与开发。 主要研究进展如下表所示。
技术开发课题
SOFC 处于技术不很成熟的阶段,要进入实用化还有 很多难题需要解决.综合起来有下面的几个方面。
高温下可以允许使用不纯的燃料气体,使 SOFC 与洁 净煤发电技术可以结合起来, FC 反应释放的热量可 以供煤气化和烃类合成所需的能量。 燃料的纯度要求不高使 FC 在使用诸如柴油、甚至煤 油等重燃料操作方面极具吸引力。以天然气为燃料的 发电厂则完全可以免去脱硫系统。
• 电解质稳定:固体电解质通常很稳定,固体电解质 的组成不随燃料和氧化剂的组成而变化的。由于没有 液相的存在,避免了腐蚀和电解液泄漏的发生。
目前 SWPC 电池的预期寿命为 l0 年,未来商品化 50FC发电系统的寿命预计达到10一20年。 此外,该公司为了降低制造成本和提高电池组的输 出功率密度,已用空气极支撑结构替代多孔支撑管 结构。除了 SWPC 和日本的几家公司外,国际上 SOFC 的研发主流是中温 SOFC 电池组的研制与新 材 料 的 开 发 。 加 拿 大 的 Global 热 电 公 司 在 中 温 SOFC研发领域具有举足轻重的地位。 Global的研 发方向为中温平板型 SOFC,主要面向分散供电、 家庭热电联供市场。
固体氧化物燃料电池与陶瓷材料
固体氧化物燃料电池与陶瓷材料
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种使用固体材料作为电解质的燃料电池。
最常见的固体电解质材料是氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷材料。
由于SOFC完全由固体材料制成,其工作温度较高,通常在℃之间。
陶瓷材料在SOFC中起到了至关重要的作用。
陶瓷材料不仅作为电解质,还可以作为阴极和阳极。
致密电解质薄膜是SOFC的核心,主要是(纯)氧离子导体。
其电导率依赖于氧化物中的氧离子空位传导,氧空位主要来源于氧化物中低价金属离子掺杂。
工业上主要使用萤石结构YSZ和ScSZ,这两种材料都具有较高的氧离子电导率。
此外,在SOFC中,氧气在阴极吸收电子以产生氧离子,带负电的氧离子从阴极穿过电解质,在阳极与氢气发生反应,并产生电和水作为副产品。
这一过程与其它燃料电池中质子的移动不同。
总的来说,陶瓷材料在固体氧化物燃料电池中起到了关键的作用,是实现燃料电池高效、稳定运行的重要基础。
SOFC简介(固体燃料电池)PPT课件
SOFC发展历史
1970年,电化学气相沉积技术开发成功,Isenberg 将燃料电池技术向前推进了一大步。 1981年,H.Iwahara首先报道了质子型导体材料钙 钛矿型掺杂SrCeO3。 1983年,Argonne国家实验室研究并制定了共烧的 平板式电池堆。 1986年,西屋公司首次制造了324根单电池组成的 5kW的SOFC发电机。 1998年1月,在荷兰Westervoort附近开始运行了一 台1152个单电池组成的100kW的SOFC发电系统。 2000年,澳大利亚Ceramic Fuel Cells公司制备了 一个以天然气为燃料的25kW的平板式电池系统, 由3840块电解质制成的单电池(11cm*9cm)组成。
1937年,Baur和Preis首先研究了ZrO2固体电解质电 池; 铁或碳做阳极,磁铁矿Fe3O4做阴极,用8个单电池串 联组装了第一个电池堆; 问题:电解质的制备工艺很粗糙,电池电阻很大;没 找到合适的电极Fe3O4易被氧化。导致功率密度很小。 20世纪50年代以后,开发出一种简单的测试系统后, 才开始进行压制或流延工艺制备稳定氧化锆片的实验。 1957年,Kiukkola和Wagner第一次研究了CaO稳定的 ZrO2作为电解质的热力学。在世界范围内引发了固态电 化学领域的研究热潮。 1964年,Rohr找到了最合适的阴极材料 La0.84Sr0.16MnO3。
管式SOFC
密封技术简化、机械强度高等优点
与前两代相比,体积功率高、 启动快,可应用于快速启动 的备用及移动设备的辅助电 源。
第二代
直径0.8-2.0mm以上
第三代
微管式SOFC
SOFC分类—平板式
管式与平板式的比较
SOFC分类—扁管式
SOFC分类—瓦楞式
能源材料固体氧化物燃料电池(SOFC)
常见种类
常见的阳极材料包括掺杂的金属氧化 物、复合金属氧化物和钙钛矿型材料 等。
阴极材料
适用范围
阴极材料主要用于固体氧化物燃料电池中的氧还原反应, 要求具有良好的氧还原催化活性、电子导电性和稳定性。
常见种类
常见的阴极材料包括钙钛矿型材料、层状结构材料和复合 阴极材料等。
发展趋势
为了提高SOFC的阴极性能,研究者们正在探索具有高氧 还原催化活性、高电子导电性和稳定性的新型阴极材料, 如过渡金属氧化物、氮化物和碳化物等。
密封与连接
采用合适的密封材料和工艺,确保电池的气密 性和稳定性,同时将电极引出线与外部电路连 接。
电性能测试
测量 SOFC的电压、电流和功率等电 性能参数,以评估其性能表现。
稳定性测试
通过长时间运行测试,观察SOFC的性能 衰减情况,评估其使用寿命和可靠性。
环境适应性测试
在不同温度、湿度和压力等环境下测试 SOFC的性能表现,以评估其实际应用能 力。
组件制备
01
02
03
流延成型
将制备好的粉末与粘结剂 混合,通过流延机制备出 薄膜状的电解质和连接体。
热压成型
将粉末填充到模具中,通 过热压成型制备出电极和 连接体组件。
烧结
在一定温度下对组件进行 烧结,去除粘结剂并使粉 末颗粒间形成致密的陶瓷 相。
电池装配
组件叠层
将电极、电解质和连接体按照设计好 的顺序叠层装配在一起。
低成本化
降低SOFC的成本是实现大规模应用的必要条件。通过开发低成本制备工艺、优化材料配 方、提高材料利用率等方式,可以降低SOFC的制造成本。
规模化应用
随着技术的不断成熟和成本的降低,SOFC有望在未来实现规模化应用。在分布式发电、 移动电源、电动汽车等领域,SOFC具有广阔的应用前景。
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(SOFC)
固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展摘要:固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置,具有高效率、零污染、无噪声等特点。
它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。
这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。
本文简略地介绍了固体氧化物燃料电池及现状和存在的题目,并提出了值得深进研究的课题。
关键词:固体氧化物燃料电池(SOFC),现状,发展1.固体氧化物燃料电池发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年,SOFC的开发始于20世纪40年代,但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。
以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表,研制了管状结构的SOFC,用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管,然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。
1987年,该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统,到1997年3月成功运行了约1. 3万小时;1997年12月,西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统,截止到2000年底封闭,累计工作了16 ,612小时,能量效率为46 %;2002年5月,西门子西屋公司又与加州大学合作,在加州安装了第一套220kW SOFC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 %,猜测有看达到70 %。
接下来预备在德国安装320kW 联动发电系统,建成1MW的发电系统,预计2005年底,管状结构SOFC走向贸易化。
同时,日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验.另外,加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. ),美国GE、Z2tek 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。
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。
SOFC简介(固体燃料电池)
SOFC发展历史
1970年,电化学气相沉积技术开发成功,Isenberg 将燃料电池技术向前推进了一大步。 1981年,H.Iwahara首先报道了质子型导体材料钙 钛矿型掺杂SrCeO3。 1983年,Argonne国家实验室研究并制定了共烧的 平板式电池堆。 1986年,西屋公司首次制造了324根单电池组成的 5kW的SOFC发电机。 1998年1月,在荷兰Westervoort附近开始运行了一 台1152个单电池组成的100kW的SOFC发电系统。 2000年,澳大利亚Ceramic Fuel Cells公司制备了 一个以天然气为燃料的25kW的平板式电池系统, 由3840块电解质制成的单电池(11cm*9cm)组成。
KOH(液) H3PO (液) 4 OH纯氢气 H+ 重整气
氢气,水煤 氢气,重整氢 气,天然气, 碳氢化合物 有 无
连接材料
有
有
腐蚀性
启动时间
强
几分钟
强
几分钟
强
>10min
无
>10min
无
<5s
效率/%
成本/$· kW-1 应用方向
65
1,000 短期飞 船,航天 飞机
40-45
200-3,000 现场集成能量 系统
▲
1.2 SOFC概述
SOFC工作原理及分类 SOFC发展历史 SOFC发展现状 SOFC发展规划
SOFC发展现状
100kW
Canada
220kW
Germany
Japan
Siemens Westinghouse
SOFC发展现状
SOFC发展现状
美
国
美国能源部(DOE)2000年宣布Siemens Westinghouse公司制造的SOFC电池堆和Northern Research and Engineering corporation公司生产的 微型透平系统进行了联合评估。功率输出达到220 kW,电池组运行时间已超过了8年,并且仍在运行 中,成功经受住了100次热循环,每1000 h电压降 低低于0.1%。 DOE和Siemens Westinghouse公司还联合进行了 兆瓦级SOFC电池堆的技术发展项目。 Delphi制备的电池为Ni-YSZ阳极支撑板式结构,截 面尺寸为144 cm×98 cm,开发的SOFC系统以甲 醇为燃料(全部内重整),全功率运行时的净输出功 率达到2.2 kW,燃料利用效率为36%,电池堆每运 行500h的压降为1.1%。
sofc燃料电池余热温度
sofc燃料电池余热温度
SOFC(固体氧化物燃料电池)是一种高温燃料电池,其工作温
度通常在800°C至1000°C之间。
在SOFC中,余热温度是指燃料
电池产生的高温废热。
这些余热可以被用于热电联产或其他热能利
用方式,以提高系统能量效率。
SOFC燃料电池产生的高温余热可以被用于多种用途。
首先,余
热可以被用于预热进入燃料电池的燃料和空气,以提高系统效率。
其次,余热还可以用于加热水或提供空调系统所需的热能。
此外,
余热还可以被用于工业生产过程中的加热或其他热能需求。
在利用SOFC燃料电池的余热时,需要考虑余热温度的高温特性,确保系统设计和热能利用的安全性和可靠性。
此外,余热的温度也
会影响其在不同应用中的适用性,因此在利用SOFC余热时需要根据
具体的应用场景进行合理的设计和规划。
总的来说,SOFC燃料电池产生的余热温度通常处于高温范围,
可以被用于多种热能利用方式,但在具体应用中需要综合考虑系统
设计、安全性和可靠性等因素。
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我国发展规划
主要研究内容
我国发展规划
国家重点基础研究发展计划:是以国家重大 需求为导向,对我国未来发展和科学技术进 步具有战略性、前瞻性、全局性和带动性的 基础研究发展计划,主要支持面向国家重大 战略需求的基础研究重点领域。 碳基燃料固体氧化物燃料电池体系基础研究
燃料电池
高效、对环境友好、便于模快化设计等优点,被 称为未来世界十大科技之首和21 世纪的绿色能 源,是防止大气污染和温室效应的一个积极可行 的策略,对于能源、环境和经济这三项涉及人类 社会重大问题的解决具有战略意义。
五种燃料电池
电池类型 工作温度/℃ 阳极 阴极 电解质
导电离子 所用燃料
连接材料 腐蚀性 启动时间 效率/% 成本/$·kW-1 应用方向
▲
1.2 SOFC概述
SOFC工作原理及分类 SOFC发展历史 SOFC发展现状 SOFC发展规划
SOFC发展现状
Canada
100kW 220kW
Germany
Japan
Siemens Westinghouse
SOFC发展现状
SOFC发展现状
美国
美国能源部(DOE)2000年宣布Siemens Westinghouse公司制造的SOFC电池堆和Northern Research and Engineering corporation公司生产的 微型透平系统进行了联合评估。功率输出达到220 kW,电池组运行时间已超过了8年,并且仍在运行 中,成功经受住了100次热循环,每1000 h电压降 低低于0.1%。 DOE和Siemens Westinghouse公司还联合进行了 兆瓦级SOFC电池堆的技术发展项目。 Delphi制备的电池为Ni-YSZ阳极支撑板式结构,截 面尺寸为144 cm×98 cm,开发的SOFC系统以甲 醇为燃料(全部内重整),全功率运行时的净输出功 率达到2.2 kW,燃料利用效率为36%,电池堆每运 行500h的压降为1.1%。
基础研究成果推动SOFC制备及组装技术的发展
发明了BCAS微晶玻璃密封材料 授权专利(ZL200410013582.3)
35
1.2 SOFC概述
SOFC工作原理及分类 SOFC发展历史 SOFC发展现状 SOFC发展规划
我国发展规划
2010年国家高技术研究发展计划——
我国高技术研究发展的一项战略性计划,以解决事关国家长远发 展和国家安全的战略性、前沿性和前瞻性高技术问题为核心,以 培育战略性新兴产业为主线,积极抢占高技术发展的前沿制高 点,大力培育引领未来发展的战略性新兴产业生长点。
固体氧化物燃料电池(SOFC) 的发展与关键材料
谷肄静
2014.9.16
主要内容
SOFC的发展背景及研究意义 SOFC概述 SOFC的组成及关键材料
1.1 发展背景
Energy
Economy
Environment
1.1 发展背景
时代
远古时期
科技革命 产业革命前
18世纪60年 代
第一次
19世纪70年 代以后
出现了许多新兴 工业部门,重工 业为主,电气化 时代到来;进入 帝国主义阶段
计算机、空间技 术出现、第三产 业比重增加,主 要工业国家经济 的迅速发展
环境
良好
遭到破坏
持续破坏
很差,开始治理
研究意义 ——对策
如何实现人类生存环境的改善和经济的可 持续发展 ?
——减少煤和石油的使用,发展可替代能源和新 型发电技术。
第二次
20世纪40年 代末
第三次
标志
能源 经济
水力、风力机 蒸汽机的发明 新式炼钢法和 原子能、电子
械作为动力 和应用
电力的应用 计算机和自动
化技术
薪柴
煤炭为主
至20世纪20年 石油和天然气为 代,石油为主 主,新能源出现
农业和手工业 为主,发展缓
慢
机器大工业,资 本主义生产力迅 速发展,为资本 主义制度奠定了 物质基础
管式SOFC
密封技术简化、机械强度高等优点
第二代
直径0.8-2.0mm以上
与前两代相比,体积功率高、 启动快,可应用于快速启动 的备用及移动设备的辅助电 源。
第三代
微管式SOFC
SOFC分类—平板式
管式与平板式的比较
SOFC分类—扁管式
SOFC分类—瓦楞式
差别:其PEN板是瓦 楞型而非平面状。 优点:比平板式 SOFC有效工作面积 要大,单位体积功率 密度也较高。 主要缺点:电解质材 料的脆性,PEN板必 须经共烧结一次成 型,制备相当困难。
到目前为止,多家研究机构或公司都进行过千瓦级 以上SOFC发电试验,获得了较高的能量转换效 率,并累积了大量运行经验,有些SOFC电站已经 接近实用。
从事SOFC的著名研究机构
美国:西屋(Westinghouse)电气公司、美国GE公 司; 加拿大:环球热电公司; 日本:日本工业技术院电子技术综合研究所、富士 电极综合研究所、三洋电机、三菱重工九州、电力 公司、东陶公司; 瑞士:萨尔泽尔公司; 德国:西门子(Siemens)电气公司、尤利希研究中心 奔驰、宝马公司、西德海德堡中央研究所; 英国:能源技术支持署; 丹麦:Riso国家实验室; 澳大利亚:陶瓷燃料电池有限公司(CFCL)。
主要内容
SOFC的发展背景及研究意义 SOFC概述 SOFC的组成及关键材料
1.3 SOFC的组成及关键材料
阳极/电解质“共流延共烧结” 技术
B 解决方法
通过多年的科研攻关,成功开发出多层膜“共流延-共烧结”技术,制备出 平整的大面积(10cm×10cm、11cm×11cm)基板。 使我国成为世界上少数掌握该技术的国家之一。
支撑体
多 层 流 延
电解质 功能层
10cm×10cm
34
11cm×11cm
大尺寸单体电池组装
日本
SOFC研究是“月光计划”的一部分。电子综 合技术研究所、富士电机综合研究所、三洋 电机、三菱重工及多家大型电力公司和煤气 公司都开展了SOFC的研制和试验工作。 KEPCO是日本最大的能源公司之一,该公 司于2001年开始与MMC合作开发600~800 ℃中温SOFC,2004年以来,在NEDO的资 助下,致力于开发用于固定电站的10kW级 板式中温SOFC以及10 kW级CHP系统,并 有1 kW的示范电池堆在运行。
无需贵金属做催化剂;但腐蚀性很强,电极易还原。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)
高的功率/重量比和低的工作温度;铂资源有限。
固体氧化物燃料电池(SOFC)
研究意义
固体氧化物燃料电池优点:
全固体的电池结构不存在漏液问题; 余热利用价值高,SOFC高质量的余热可以用于热 电联供,使得SOFC的总的发电效率可达80%以 上; 不采用贵金属作为电极催化剂,因此制造成本大大 降低; 燃料适用范围广,SOFC几乎适用于所有可以燃烧 的燃料,不仅可以使用H2、CO等燃料,而且还可 以采用天然气、煤气和其它碳氢化合物作为燃料。
总体目标:针对国家在能源结构调整、化石 燃料高效洁净利用等方面的重大需求,发展 新概念、新设计、新体系和新方法,建立高 效率、低成本、稳定可靠的碳基燃料SOFC 相关理论体系。
我国发展规划
研究内容:
揭示SOFC关键材料体系中电子、离子的输 运规律和界面的演变过程; 明确碳基燃料的电催化机理;
深刻认识从电极反应到电堆系统的温场、流 场、电场、应力场等物理场的多尺度多场耦 合规律; 设计和优化电堆结构及工作参数; 实现系统的高效率、低成本和稳定可靠的演 示运行。
AFC
PAFC
MCFC
50~200
100~200
650~700
Pt/Ni
Pt/C
Ni/Al
Pt/Ag
Pt/C
Li/NiO
KOH(液) H PO (液) 34
K /Li CO 3(液2 )3
OH纯氢气
H+ 重整气
CO 32-
净化煤气, 天然气,重
整气
有
有
有
强
强
强
几分钟
几分钟
>10min
65
40-45
50-55
德国和英国
尤利希研究中心及Siemens、Domier GmbH及 ABB等公司一直致力于开发千瓦级平板式SOFC发 电装置。Siemens公司还与荷兰能源中心(ECN) 合作共同开展平板式SOFC研究。
英国的“先进燃料电池计划”开始于1992年,该计划 又并入英国“新能源和可再生能源计划”,在2005年 实现SOFC现场试验和示范。
▲
1.2 SOFC概述
SOFC工作原理及分类 SOFC发展历史 SOFC发展现状 SOFC发展规划
SOFC发展历史
1839年, William Grove 发现了燃料电池,可以利用装置 将氢气和氧气的化学能转化为电能。
SOFC发展历史
1889年,Nernst发明Nernst灯。
SOFC发展历史
Japan,横滨
德国,Aachen(亚琛) USA, Hawaii(夏威夷) Japan, Tsukuba(筑波) 法国,巴黎 加拿大,Quebec City 日本,Nara(奈良)
奥地利,Vienna(维也纳)
SOFC发展现状
国内SOFC研究
中国科学院上海硅酸盐研究所 中国科学院材料所 中国科技大学 大连化物所 清华大学 哈尔滨工业大学
1,000
短期飞 船,航天
飞机
200-3,000
1,250
现场集成能量 电站、区域
系统
性供电
SOFC
PEMFC
500~1000 25~100
Ni/YSZ