固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池（SOFC）
固体氧化物燃料电池是以固体氧化物作为电解质的高温燃料电池，它是用于 大型发电厂及工业应用。
SOFC采用固体氧化物作为电解 质，在高温下具有传递O2-的能力， 在电池中起着传导O2-和分隔氧化 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。
（二）Ｎｉ－ＳＤＣ金属陶瓷阳极 和ＹＳＺ相比，由于ＳＤＣ（Ni-Sm2O3 掺杂的CeO2 ）具有较高的离子电导率， 且在还原气氛中会产生一定的电子电导，因此，将ＳＤＣ等掺入到阴极催化剂Ｎｉ 中，可以使电极上发生电化学反应的三相界得以向电极内部扩展，从而提高电极的 反应活性。 ＮｉＯ－ＳＤＣ复合材料的制备可以采用机械复合法，即将ＮｉＯ和ＳＤＣ粉 料混合后进行球磨，用量少时，用玛瑙研钵进行研磨。
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。
对SOFC阳极材料及阳极有如下的基本要求：
（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。
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。
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。
（５）Ｎｉ－ＹＳＺ复合金属陶瓷阳极的 热膨胀 Ｎｉ－ＹＳＺ阳极的热膨胀系数随组 成不同而发生改变。随着Ｎｉ含量的增加， Ｎｉ－ＹＳＺ的热膨胀系数增大。严重的 热膨胀系数不匹配会在电池内部引起较大 的应力，造成电池组件的碎裂和分层剥离。 可通过在电解质中掺入添加剂的方法降低 应力。
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。
（1）Ni-YSZ 金属陶瓷阳极的制备 制备Ni-YSZ金属陶瓷的方法有多种，包括传 统的陶瓷成型技术（流延法、轧末法）、涂抹 技术（丝网印刷、浆料涂覆）和沉积技术（化 学气相沉积、等离子体溅射）。管式SOFC通 常采用化学气象沉积-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，而 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。
２）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
一、发展史 1839 年就由 William Grove 提出燃料电池的 原理装置。 1894 年W.Ostwald 指出燃料电池不受卡诺循 环的限制其能量转换效率可以达到50～80% 1959年培根 (Bacon)制造了可以使用的燃料 电池 1965 年和 1966 年美国相继在‘双子星座’ 和‘阿波罗’飞船重成功地应用改进了的 培根 H2-O2 燃料电池提供电力。在航天领域 燃料电池得到了发展。
（4）热膨胀系数 阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系数 相匹配。 （5）孔隙率 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。
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阳极材料及性能
（一）Ni-YSZ金属陶瓷阳极
20 世 纪 70 年 代 美 国 Target 财 团 开 发 成 功 12.5kW 的磷酸型燃料电池。 1986 年又完成 了 50 台 40kw 的电池组在美国和日本应用。 1994年美国的IFC研制了200kw机组。 60 年代出现了质子交换膜燃料电池，因为 电阻大寿命短限制了使用。80年代PEMFC迅 速发展。 １9９７年能斯特制备氧化锆加氧化钇离子 导提上世纪５０年代荷兰、美国开发了固 体氧化物电池
子粗化。
（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
（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。
在这种金属陶瓷复合阳极中，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