固体氧化物燃料电池课件
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➢ 1937年Baur和Preis首次操作固体氧化物燃料电池，其工 作温度为1000℃。自此，固体氧化物燃料电池取得了很大 的进展。
➢ 固体氧化物燃料电池主要为管式、平板式、瓦楞式和其它 新型结构。
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管式SOFC
➢ 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。
（2）SOFC的工作电压可以达到理论开路电压的96%，由于固体氧化物电解 质的透气性很低，电子电导率低；
（3）由于SOFC运行温度高，便于利用高温废气，可实现热电联产，燃料利 用率高；
（4）全固体结构，避免了液态电解质对材料的腐蚀，解决了电解液的控制 问题；
（5）氧化物电解质很稳定，抗毒性好。电极有相对较强的抗污染能力；
➢ 每个单电池从内到外由多孔支撑 管、空气电极、固体电解质薄膜 和金属陶瓷阳极组成。
➢ 多孔管起支撑作用，并允许空气 自由通过，到达空气电极。
管式结构固体氧化物燃料电池组
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（a）单体电池； （b）单电池间的连接
13
➢ 管式SOFC的优点：
✓ 单电池间的连接体设在还原气氛一侧，这样可使用廉价金属材料 作电流收集体。
（6）可使用多种燃料，包括直接使用碳氢化合物；
（7）不要求外围设备条件，诸如不需要湿度控制、空气调节等。
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5
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。
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6
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。
第一代燃料电池(磷酸盐酸性燃料电池）
第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池）
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3
固体氧化物燃料电池原理
➢ 固体氧化物燃料电池采用固体氧化物为电解质。固体氧化 物在高温下具有传递O2-的能力，在电池中起传递O2-和分离 燃料和氧化剂的作用。
阳极反应： H2+O2- →H2O+2e-
阴极反应: O2+4e-→ 2O2-
求
(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。
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➢ 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。
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SOFC国际发展状况
➢ 早在1839年英国人William Grove就报道了燃料电池的工 作原理，但固体氧化物燃料电池的起步却比较晚，1899年 Nerest发现了固体氧化物电解质。
料
的
✓ 与电解质热膨胀匹配，不发生化学反应；
要
✓ 具有多孔结构，从而保证反应气体的输运；
求
✓ 对阳极的电化学反应有良好的催化活性。
➢ 常用的阳极催化剂有Ni、Fe、Co、Pt等，其中金属Ni具有高 的活性、价格低的特点，应用最广泛。
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8
➢ 阳极极主要由两种材料组成：一是金属；第二种对大部分 电池来说是和电解质相同的材料。
• 1997年12月，西门子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%。
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CHP100kW Siemens Generator
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16
• 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220kWSOFC与气体 涡轮机联动发电系统，当时获 得的能量转化效率为58%。
在阴极，氧分子得到电子还 原为氧离子，氧离子在氧浓 度差和电位差作用下，通过 电解质中的氧空穴定向迁移， 到达阳极后与燃料发生氧化 反应。
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4
固体氧化物燃料电池特点
➢ 从原理上讲，固体氧化物燃料电池是最理想的燃料电池之一， 它具有如下的优点：
（1）工作温度高（800-10000C）,高温可以保证燃料的快速氧化，且不需 要昂贵的电催化剂；
固体氧化物燃料电池 （Solid Oxide Fuel Cell）
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1
目录
1 固体氧化燃料电池原理
1
2 固体氧化物燃料电池特点 3 固体氧化物燃料电池材料 4 SOFC国际发展状况
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2
固体氧化物燃料电池
➢ 固体氧化物燃料电池(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。
✓ 单电池采用串联、并联方式组合在一起，可以避免当某一电池损 坏时，电池组完全失效。
✓ 电池组装相对简单，容易通过电池单元之间并联和串联组合成大 功率的电池组。
✓ 管型SOFC一般在很高的温度(900-1000℃)下进行操作，主要用于 固定电站系统，所以高温SOFC一般采用管型结构。
➢ 管式SOFC的缺点：
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7
阳极材料
➢ 电池中的阳极又称为燃料电极，它处在还原的气氛之中。主 要作用是实现燃料的电化学催化氧化，把燃料氧化释放出的 电子转移到外电路去，导入和排出气体。
✓ 有足够的电子电导率，同时具有一定的离子电
阳
导率，以扩大电极反应面积；
极 材
✓ 在还原性气氛中可长时间工作，保持尺寸及微 结构稳定，无破坏性相变；
阴
✓ 有高额电子电导率
极
✓ 气体透过率大
材
✓ 高温时热和化学稳定性
料
的
✓ 与固体电解质膜有良好的相容性和附着性
要
✓ 有比较理想的孔隙率
求
✓ 价格适中
➢ 当前使用的最为广泛的阴极材料是掺有镧的氧化锰，即La1XSrxMnO3(LSM) 。 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。
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9
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。
对
(1)较高的氧离子电导率，忽略电子电导率；
电
(2)高温时有一定的相稳定性和机械强度；
解
(3)气密性，要求其达到理论密度的95％以上；
质
(4)良好的抗热震动性；
的
要
(5)对于反应气体的化学稳定性：
电流通过电池的路径较长，限制了SOFC的性能。
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14பைடு நூலகம்
管式SOFC发展状况
➢ 西屋(Westinghouse) 公司
• 美国西屋公司首先通过挤压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，该公司在日本安装了25kW级发电和余热 供暖SOFC系统。
➢ 固体氧化物燃料电池主要为管式、平板式、瓦楞式和其它 新型结构。
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管式SOFC
➢ 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。
（2）SOFC的工作电压可以达到理论开路电压的96%，由于固体氧化物电解 质的透气性很低，电子电导率低；
（3）由于SOFC运行温度高，便于利用高温废气，可实现热电联产，燃料利 用率高；
（4）全固体结构，避免了液态电解质对材料的腐蚀，解决了电解液的控制 问题；
（5）氧化物电解质很稳定，抗毒性好。电极有相对较强的抗污染能力；
➢ 每个单电池从内到外由多孔支撑 管、空气电极、固体电解质薄膜 和金属陶瓷阳极组成。
➢ 多孔管起支撑作用，并允许空气 自由通过，到达空气电极。
管式结构固体氧化物燃料电池组
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（a）单体电池； （b）单电池间的连接
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➢ 管式SOFC的优点：
✓ 单电池间的连接体设在还原气氛一侧，这样可使用廉价金属材料 作电流收集体。
（6）可使用多种燃料，包括直接使用碳氢化合物；
（7）不要求外围设备条件，诸如不需要湿度控制、空气调节等。
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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。
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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。
第一代燃料电池(磷酸盐酸性燃料电池）
第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池）
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固体氧化物燃料电池原理
➢ 固体氧化物燃料电池采用固体氧化物为电解质。固体氧化 物在高温下具有传递O2-的能力，在电池中起传递O2-和分离 燃料和氧化剂的作用。
阳极反应： H2+O2- →H2O+2e-
阴极反应: O2+4e-→ 2O2-
求
(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。
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➢ 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。
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SOFC国际发展状况
➢ 早在1839年英国人William Grove就报道了燃料电池的工 作原理，但固体氧化物燃料电池的起步却比较晚，1899年 Nerest发现了固体氧化物电解质。
料
的
✓ 与电解质热膨胀匹配，不发生化学反应；
要
✓ 具有多孔结构，从而保证反应气体的输运；
求
✓ 对阳极的电化学反应有良好的催化活性。
➢ 常用的阳极催化剂有Ni、Fe、Co、Pt等，其中金属Ni具有高 的活性、价格低的特点，应用最广泛。
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8
➢ 阳极极主要由两种材料组成：一是金属；第二种对大部分 电池来说是和电解质相同的材料。
• 1997年12月，西门子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%。
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CHP100kW Siemens Generator
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16
• 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220kWSOFC与气体 涡轮机联动发电系统，当时获 得的能量转化效率为58%。
在阴极，氧分子得到电子还 原为氧离子，氧离子在氧浓 度差和电位差作用下，通过 电解质中的氧空穴定向迁移， 到达阳极后与燃料发生氧化 反应。
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固体氧化物燃料电池特点
➢ 从原理上讲，固体氧化物燃料电池是最理想的燃料电池之一， 它具有如下的优点：
（1）工作温度高（800-10000C）,高温可以保证燃料的快速氧化，且不需 要昂贵的电催化剂；
固体氧化物燃料电池 （Solid Oxide Fuel Cell）
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目录
1 固体氧化燃料电池原理
1
2 固体氧化物燃料电池特点 3 固体氧化物燃料电池材料 4 SOFC国际发展状况
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固体氧化物燃料电池
➢ 固体氧化物燃料电池(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。
✓ 单电池采用串联、并联方式组合在一起，可以避免当某一电池损 坏时，电池组完全失效。
✓ 电池组装相对简单，容易通过电池单元之间并联和串联组合成大 功率的电池组。
✓ 管型SOFC一般在很高的温度(900-1000℃)下进行操作，主要用于 固定电站系统，所以高温SOFC一般采用管型结构。
➢ 管式SOFC的缺点：
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阳极材料
➢ 电池中的阳极又称为燃料电极，它处在还原的气氛之中。主 要作用是实现燃料的电化学催化氧化，把燃料氧化释放出的 电子转移到外电路去，导入和排出气体。
✓ 有足够的电子电导率，同时具有一定的离子电
阳
导率，以扩大电极反应面积；
极 材
✓ 在还原性气氛中可长时间工作，保持尺寸及微 结构稳定，无破坏性相变；
阴
✓ 有高额电子电导率
极
✓ 气体透过率大
材
✓ 高温时热和化学稳定性
料
的
✓ 与固体电解质膜有良好的相容性和附着性
要
✓ 有比较理想的孔隙率
求
✓ 价格适中
➢ 当前使用的最为广泛的阴极材料是掺有镧的氧化锰，即La1XSrxMnO3(LSM) 。 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。
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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。
对
(1)较高的氧离子电导率，忽略电子电导率；
电
(2)高温时有一定的相稳定性和机械强度；
解
(3)气密性，要求其达到理论密度的95％以上；
质
(4)良好的抗热震动性；
的
要
(5)对于反应气体的化学稳定性：
电流通过电池的路径较长，限制了SOFC的性能。
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14பைடு நூலகம்
管式SOFC发展状况
➢ 西屋(Westinghouse) 公司
• 美国西屋公司首先通过挤压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，该公司在日本安装了25kW级发电和余热 供暖SOFC系统。