新能源材料固体氧化物燃料电池(SOFC)
固体氧化物燃料电池
（3）金属陶瓷的稳定性
Ni和YSZ在还原气氛中均具有较高的化学稳
定性，并且在室温至SOFC操作温度范围内无相
变产生。 Ni-YSZ在１０００℃以下几乎不与电
解质ＹＳＺ及连接材料LaCrO3发生反应。
（４）Ｎｉ－ＹＳＺ金属陶瓷的导电性
Ｎｉ－ＹＳＺ金属陶瓷阳极的导电率和其中的Ｎ ｉ含量密切相关。当Ｎｉ的比例低于３０％时Ｎｉ－Ｙ ＳＺ金属陶瓷的导电性能与ＹＳＺ相似，说明此时通过 ＹＳＺ相的离子导电占主导地位；但当Ｎｉ的含量高于 ３０％时，由于Ｎｉ粒子互相连接构成电子导电通道， 使Ｎｉ－ＹＳＺ复合物的电导率增大三个数量级以上， 说明此时Ｎｉ金属的电子电导在整个复合物电导中占主 导地位。
４＊ＹＳＺ的机械性能 ＹＳＺ在室温下的弯曲强度为３００～４００ＭＰａ，断裂韧性为３ＭＰａ＊ ｍ１／２．在ＳＯＦＣ的研究与开发过程中，迫切需要提高电解质材料的强度和 韧性，采用最多的方法是在ＹＳＺ中掺入一种或几种其它氧化物。
（二）Ｓｒ﹑Ｍｇ掺杂的ＬａＧａＯ３（ＬＳＧＭ） １＊ＬＳＧＭ的合成 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
（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
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。
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。
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(SOFC)
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 燃料电池 中的化学能转换为电能的高效发电装置。 。
电解质 阳极 燃 料 阴极 氧气
水、 尾气
水、 尾气
SOFC的优点 的优点： 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
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。
平板式结构 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 支撑体； 蛇形沟槽 蛇形沟槽； 阳极 阳极； 电解质 电解质； 阴极 支撑体
SOFC的工作原理： 的工作原理： 的工作原理
SOFC的主要工作部分由空气电极（阴极）、具有氧离子 电导的固体电解质和燃料电极（阳极）所组成。
连接体材料： 连接体材料：
它一边与一个单电池的阳极连接，另一边与另一个单电 池的阴极连接，因而也称为双极连接材料，即连接两个 单电池的阴极和阳极。 目前主要有两类材料能满足平板式SOFC连接材料的要 求：一种是钙或锶掺杂的铬酸镧钙钛矿材料La1xCaxCrO3（LCC）；另一类材料是耐高温Cr-Ni合金材 料。 管式SOFC的连接材料一般采用LCC，用电化学气相沉 积法（EVD）沉积在亚锰酸镧（LSM）电极上烧结而成， 厚度约40µm。
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阳极燃料
固体氧化物燃料电池阳极燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一种高效、环保的燃料电池，其阳极燃料通常是氢气、甲烷等可燃气体，也可以使用固体燃料。
本文将从SOFC的基本原理、阳极反应机理、阳极材料及其改性等方面进行详细介绍。
一、SOFC的基本原理SOFC是一种高温燃料电池，其工作温度通常在800℃以上。
它由两个电极和一个电解质组成，其中一个电极为阳极，另一个为阴极。
阳极和阴极之间通过电解质隔开，形成了一个封闭的空间。
当给定外部电路后，阴极吸收氧分子，并与外界中的电子结合成为负离子氧离子（O2-），然后穿过电解质到达阳极。
在阳极上，氧离子与可燃物质反应生成水和二氧化碳等产物，并释放出自由电子。
这些自由电子通过外部回路流回阴极，在那里再次与吸收的氧分子结合成为氧离子。
SOFC具有高效率、低排放和长寿命等优点，因此在能源领域具有广泛的应用前景。
二、阳极反应机理SOFC的阳极反应是燃料气体和氧离子在阳极上发生的化学反应。
一般来说，反应机理可以分为三个步骤：1. 燃料气体吸附：燃料气体（如氢气、甲烷等）首先通过物理吸附进入阳极表面，并在表面上形成吸附态。
2. 活化：吸附态的燃料分子与表面上的氧离子相遇并发生化学反应，生成水和二氧化碳等产物，并释放出自由电子。
3. 传输：自由电子通过阳极向外传输，进入外部回路。
同时，离开表面的氧离子会穿过电解质到达阴极，与自由电子结合生成吸收态的氧分子。
三、阳极材料及其改性SOFC中使用的阳极材料需要同时具备催化活性和导电性能。
常用的阳极材料包括金属、金属合金、金属/非金属复合物等。
其中，最常用的是Ni-YSZ（钇稳定型锆酸盐）复合物，因为它具有良好的催化活性和导电性能。
为了提高阳极材料的催化活性和稳定性，人们对其进行了多种改性。
常见的改性方法包括：1. 添加助催化剂：如钴、铜等金属可以与Ni形成合金或复合物，从而提高阳极的催化活性。
2. 表面修饰：通过表面修饰（如表面覆盖、表面氧化等）来改变阳极材料的表面结构和化学状态，从而提高其催化活性和稳定性。
固体氧化物燃料电池材料的缺陷_解释说明
固体氧化物燃料电池材料的缺陷解释说明1. 引言1.1 概述固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）作为一种高效、低污染的能源转化装置，具有广阔的应用前景。
然而，SOFC材料中存在着一些缺陷，这些缺陷直接影响了电池的性能和可靠性。
因此，对于这些缺陷进行深入的分析和解释是十分重要的。
1.2 文章结构本文将围绕固体氧化物燃料电池材料的缺陷展开讨论。
首先，在第2节中，我们将对SOFC材料的缺陷进行概述，并详细介绍这些缺陷对电池效率的影响因素以及材料改进方法。
接下来，在第3节中，我们将分析和解释这些缺陷的具体问题，包括结构缺陷、可导电性缺陷以及热膨胀系数不匹配问题。
在第4节中，我们将描述实验设计与方法，并观察实验结果并进行数据分析。
最后，在第5节中，我们将总结主要结论并指出目前研究存在的不足之处，并提出后续研究建议和期望发展方向。
1.3 目的本文的目的是深入研究和探讨固体氧化物燃料电池材料的缺陷，并对这些缺陷进行分析和解释。
通过实验验证与结果分析，我们将进一步认识这些缺陷对电池性能的影响，并提出材料改进方法和未来研究方向。
最终，我们希望能够为固体氧化物燃料电池技术的发展和应用提供理论支持，并促进其在能源领域的广泛应用。
2. 固体氧化物燃料电池材料的缺陷:2.1 缺陷概述:固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells，SOFCs）作为一种高效、环保的能源转换技术，在能源领域具有广阔的应用前景。
然而，尽管SOFCs在理论上有着较高的电池效率，但其实际工作中存在着一些材料缺陷，这些缺陷严重影响了电池的性能和寿命。
2.2 电池效率影响因素：针对固体氧化物燃料电池材料的缺陷以及其对电池性能的影响，有几个关键因素需要考虑：- 催化剂活性不足: SOFCs所需催化剂在实际运行中很容易失活或退化，导致活性下降。
- 导电层剥离: 在高温条件下，导电层与其他组件之间易发生分离或剥落现象，从而造成接触电阻增加。
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测试标准
固体氧化物燃料电池测试标准
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁的能源转换技术，其测试标准是确保其性能和安全性的重要指标。
一般来说，固
体氧化物燃料电池的测试标准包括以下几个方面：
1. 电化学性能测试，这包括开路电压、极化曲线、电化学阻抗
谱等测试，以评估固体氧化物燃料电池在不同工况下的电化学性能。
2. 热稳定性测试，固体氧化物燃料电池在高温下工作，因此其
热稳定性是一个重要的测试指标，包括热循环测试、热冲击测试等。
3. 机械稳定性测试，固体氧化物燃料电池在工作过程中会受到
机械应力，因此需要进行机械稳定性测试，包括振动测试、冲击测
试等。
4. 寿命测试，固体氧化物燃料电池的寿命是其商业化应用的关键，需要进行长期稳定性测试，评估其在长时间工作下的性能衰减
情况。
5. 安全性测试，固体氧化物燃料电池需要满足一定的安全性标
准，包括过充电、过放电、短路等情况下的安全性能测试。
此外，固体氧化物燃料电池的测试标准还可能涉及材料分析、成本效益评估等方面。
不同国家和地区对固体氧化物燃料电池的测试标准可能会有所不同，一般会参考国际上已有的标准进行制定。
总的来说，固体氧化物燃料电池的测试标准旨在全面评估其性能、稳定性和安全性，为其商业化应用提供技术支持和保障。
新能源材料固体氧化物燃料电池
新能源材料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）是一种以固态电解质材料为基础，利用固体电解质与氧化物燃料反应产生电能的高效率电化学能量转换器。
SOFC以其高能量转换效率、低污染排放和多燃料适应性等优势，成为了燃料电池技术中备受关注的一种类型。
首先，SOFC采用固态电解质材料作为电解质，与传统的液态电解质相比，其具有更高的化学和热稳定性。
固体电解质材料能够在高温下提供高离子电导率，因此SOFC可以在较高温度下运行，提高电极反应速率，促进电化学反应。
这也使得SOFC能够利用多种燃料，包括氢气、煤气、天然气等。
其次，SOFC具有高能量转换效率。
固体电解质的高稳定性和高离子电导率使得SOFC能够实现较高的电化学反应速率，从而提高能量转换效率。
传统热电偶发电技术只能利用燃料的一小部分能量，而SOFC可以将更多的燃料能量转化为电能，实现更高的能量利用效率。
此外，SOFC具有低的污染排放。
与传统燃烧发电技术相比，SOFC是一种无污染的能源转换技术，不会产生二氧化碳、氮氧化物等有害气体。
SOFC反应产物主要为水蒸气和二氧化碳，后者可通过碳捕获技术进行回收和利用，从而减少对环境的负面影响。
最后，SOFC具有多燃料适应性。
由于固体电解质材料的高稳定性，SOFC可以使用多种燃料，包括氢气、煤气、天然气等。
这使得SOFC具有很强的应用潜力，可以广泛应用于能源供应、电力系统备用电源、工业能源、交通运输等领域。
然而，SOFC也存在一些挑战和限制。
首先是高温操作，需要较长的启动时间和热循环时间。
此外，固态电解质材料的价格较高，限制了SOFC的商业化应用。
此外，SOFC对纯净燃料的要求较高，对燃料的净化和处理也提出了技术难题。
为了进一步促进SOFC的发展和应用，需要持续进行材料研究和技术创新。
目前的研究主要集中在降低材料成本、提高燃料适应性、改善电化学性能等方面。
同时，应加强与其他能源技术的融合，如太阳能和风能等，以进一步提高能源效率和可持续发展能力。
固体氧化物燃料电池的应用
固体氧化物燃料电池的应用
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells，简称SOFC）是一种可靠的、高效率的新型燃料电池，它的正极反应产生的电功率较传统燃料电池明显高，而且是比较安全的
高效率燃料电池，广泛应用于制冷，发电，电动车等多种领域。
固体氧化物燃料电池是一种新型高效热电转换技术，其大部分材料都已经成长及入用，其中最为重要的是燃料，它是一种可以被用作来源电能的有机物，一般用高热低压气体作
为燃料，如煤气，液化石油气等。
SOFC正极反应产生的电功率显著高于传统的燃料电池，且效率可达到60%以上，具有正极温度低和运行可靠等特点，并且其安全性高于传统燃料
电池。
SOFC在发电方面应用非常广泛，由于其高效率，体质小，重量轻，是一种理想的节能电源，除了发电，该技术还可以用于制冷，通过控制温度就可以获得冷热的能量，例如可
用于食品的冷藏及加工，也可用于独立式的住宅，例如室内温度的维持和控制。
另外，SOFC也可以应用于电动汽车和其他汽车中，用它来发电的最大优势在于它可以利用车辆运行中产生的余热释放成大量热量，提升汽车的性能和续航能力。
此外，SOFC还可以应用于动力控制系统和运输系统，这将有助于改善运输系统的效率，并减少能源的消耗。
SOFC也可以应用于太阳能的存储，太阳能的能量转换，将太阳光照射的能量转换成电能，同时还可以存储能源到电池中，作为长期储存的能源。
总之，SOFC具有良好的应用前景，未来将有更多的应用投入使用，它能更好地满足人们明智使用节能环保的能源技术的需求。
固态氧化物燃料电池的应用前景
固态氧化物燃料电池的应用前景固态氧化物燃料电池，又称为SOFC，是一种高效率、低排放、无噪音的新型清洁能源技术。
它是利用氢气或可燃气体与氧气在固体氧化物电解质材料中发生反应，从而产生电能的一种设备。
固态氧化物燃料电池技术的优势SOFC技术的主要优势是:高效率、低污染、长寿命、安全性好、使用成本低等。
高效率:SOFC技术可以将化学能直接转化为电能，转化效率高达60%至80%以上，比传统的汽车发动机的转化效率高出一倍还多，比化石燃料发电效率高出30%以上。
低污染:SOFC技术不存在大气污染问题，其电化学反应产物为水和二氧化碳，无二氧化硫、氮氧化物等有害物质的排放，可以有效缓解环境压力。
长寿命:SOFC技术中的电极、电解质、金属板等都具有很高的稳定性和耐腐蚀性，使用寿命可达10年以上。
安全性好:SOFC技术不使用易燃易爆的化燃料，不存在安全隐患问题。
使用成本低:SOFC技术可以使用天然气、煤气、甲烷以及可生物降解的有机物作为燃料，由于燃料资源丰富，且使用成本较低，因此SOFC技术的生产成本相对较低，能够在未来取得更广泛的应用。
SOFC技术的应用前景基于SOFC技术的电力和热能联供系统，能够为高质量、多功能、低污染的清洁能源发展提供解决方案。
SOFC技术应用于家庭电站和微型电力系统，能够提供可靠的电力和热能供应，减少对传统电力系统的依赖程度，为用电用户提供经济、高效、环保的新型能源解决方案。
此外，SOFC技术也可以应用于电动汽车等交通工具，为清洁能源汽车的发展提供动力支持。
SOFC燃料电池可以将用于汽车的燃料转化为电能，从而驱动电机，实现汽车的运行。
相较于锂离子电池，SOFC技术具有更长的续航里程和更低的充电时间等特点，为清洁能源汽车的发展提供了有力支持。
SOFC技术也可以应用于公共场所的供热系统，实现能量的高效利用和环境的有效保护，有助于推动城市清洁能源转型和环保战略的实施。
未来展望随着清洁能源的快速发展，SOFC技术将会得到更广泛的应用。
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二、掺杂氧化铈 DCO的电导率平均比YSZ高一个数量级以上。只有在高氧分
压下才是纯的氧离子导体。 纯氧化铈从室温到熔点温度都是立方萤石结构，N型半导体。 温度和氧压力变化时，可形成具有氧缺位型结构的CeO2-δ。 δ<10-3，主要离子缺陷是二价氧离子空位； δ=0.3，主要离子缺陷是二价向一价过渡的价态空位。 掺杂CeO2的电解质材料特别适合直接用甲烷气的SOFC中。
单斜结构 1170℃
四方结构 2370℃ 面心立方结构
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加入氧化钇稳定剂，可以将立方氧化锆稳定到室温， 同时产生氧空位，氧空位浓度由掺杂量确定。
氧离子电导率为：σ=nqμ n：可移动氧空位浓度；μ：氧空位迁移率；q：氧 空位带电量。
T A[VO](1[VO])exp(R E T)
[VO]：可移动氧空位分数。 E：导电活化能
械性能比YSZ低 低氧分压下Ga挥发； 与NiO不相容；机械性
能与DOC相当 Sc昂贵，来源受限制
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一、氧化钇稳定的氧化锆（氟化钙晶体结构） 氧化锆有三种变体：
单斜相（M），稳定温度为<1100℃； 四方相（T），稳定温度为1100~2300℃； 立方相（C），高温稳定相，熔点是2715℃。
☺ 纯ZrO2不导电，8%~9%（摩尔分数）Y2O3全稳定 YSZ表现出最大电导率；
☺ YSZ材料力学性能一般，且随温度升高而明显衰减。
☺ ZrO2系统中，低Y2O3含量（2%~3%）时具有四方相 稳定结构（Y-TZP），室温和高温下都表现出很好的 力学性能，在600℃以下时，电导率比YSZ高。
☺ 加入Al2O3可提高YSZ基体力学性能，且电导率得以提 高或至少不降低。
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YSZ的电导率与氧化钇的浓度有关；与掺杂剂阳离子大小有
关，电导率取极值时，掺杂量随离子尺寸增大而减小。
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在ZrO2-M2O3体系中，1000℃时最大电导率、 电导率最大时M2O3含量与M3+离子半径的关系
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掺杂离子与晶格离子尺寸相差越大，空位移动所 要克服的应变能越大，移动速度越小；
➢ SOFC可以直接使用任何可燃物质作为燃料。 二、SOFC的结构类型及其特点 常采用的结构类型有管型和平板型两种。
✓ 管型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。
✓ 平板型SOFC的空气电极/YSZ固体电解质/燃料电极烧 结成一体，组成“三合一”结构（PEN）。
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通过电解质（固态）传输到阳极，并在阳极同燃料发 生，生成水和电子，电子通过外电路的用电器做功， 并形成回路。
阴极反应：O2+4e→2O2阳极反应：H2(g) +O2-→H2O(g) +2e 总反应：2H2+O2→2H2O
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2
同其效的利用：一是这些热 量保证了SOFC在高温下运行；二是高温热量可以有 效的利用，如蒸汽发电等；
4
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。
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5
三、SOFC的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-西屋动力公司（SWPC）； 日本的Kansai电力公司的管型SOFC已经进行了
第九章 固体氧化物燃料电池（SOFC） 第一节 概述
一、电池的工作原理
固体氧化物燃料电池电化学 反应过程示意图
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固体氧化物燃料电池工作原理图
1
简单的SOFC由阴极、阳极、电解质和用电器所组成。氧 分子在空气极得到电子，被还原成氧离子O2-，在阴阳极 氧的化学位差作用下，氧离子（通常以氧空位的形式）
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掺杂CeO2电解质的性质： Ce4+向Ce3+的转变产生于低氧分压区，有明显的 电子电导出现；
杂质的引入可以限制CeO2在还原气氛中还原； 在CeO2固溶体外包裹一层稳定的离子导电薄膜 如YSZ可限制其还原；
CeO2的电导率随着掺杂元素的离子大小、价态 和掺杂量的变化而变化。
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➢ 低温时：[VO]TBexp(R ETa ) Ea：缔合能
E=Em+Ea
Em:迁移焓
➢ 高温时：氧空位浓度等于3价掺杂氧化物浓度。
缔合能随掺杂离子半径的增加而减小。
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掺杂氧化锆的电导率、移动活化能、 缔合活化能与掺杂离子半径的关系
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氧化钇稳定氧化锆的性质：
☺ YSZ表现出高稳定性和与其他组元间良好相容性；
随着温度的降低，电子电导率逐渐减弱。
基于DCO的SOFC应当在低于600℃温度下使用。
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✓由右图可看出， 最大电导率对应的 组成为 Ce0.8Sm0.2O1.9。
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8
电解质材料 氧化钇稳定立方氧化锆（YSZ）
氧化钪稳定立方氧化锆（SSZ） 钙钛矿结构的镓酸镧基氧化物
掺杂立方氧化铈（DCO）
高温SOFC（800~1000℃） 中温SOFC（600~800℃） 低温SOFCE（600℃以下）
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电解质
SOFC主要电解质的优越性和不足之处 优点
不足之处
YSZ 掺杂氧化铈
LSGM SSZ
在氧化和还原气氛下稳定性良好； 机械性能良好；寿命可达4万小时
以上；稳定可靠的原材料供给 与阴极材料相容；在低氧分压下 为混合电子、氧离子导体，适合
做阳极材料 与阴极相容
在氧化和还原气氛下稳定性良好
氧离子电导率低；与部 分阴极材料不相容
低氧分压下具有电子导 电性，开路电压低；机
10529h的高电流密度放电试验； 加拿大的Global热电公司在中温平板型SOFC研发领
域具有举足轻重的地位；
中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学 物理研究所、中国科技大学等正在进行平板型SOFC 的研发。
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6
四、SOFC的应用
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7
第二节 SOFC电解质材料 固体电解质是SOFC最核心的部件。 电解质必须具备以下条件： 高的离子电导率和可以忽略的电子电导率； 在氧化和还原气氛中具有良好的稳定性； 能够形成致密的薄膜； 足够的机械强度和较低的价格等。