固体氧化物燃料电池课件.ppt

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1、关于固体氧化物燃料电池现在学习的是第1页，共16页一、含义一、含义v固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，简称，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是）属于第三代燃料电池，是一种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的一种等温、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。态化学发电装置。现在学习的是第2页，共16页二、工作原理二、工作原理 电池含有阴阳两个电极，分别充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，氢气和有渗透性的

2、薄膜所构成，氢气和氧气（空气）分别由阳极和阴极氧气（空气）分别由阳极和阴极进入燃料电池。经催化剂的作用，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，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，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，阴极。在阴极催化剂的作用下，氢离子、氧气、电子发生反应生氢离子、氧气、电子发生反应生成水。因此水是反应的唯一排放成水。因此水是反应的唯一排放物。物。现在学习的是第3页，共16页SOFC采用固体氧化物作为电解质，在采用固体氧化物作为电解质，在高温下具有传递高温下具有传

3、递O2-的能力，在电池的能力，在电池中起着传导中起着传导O2-和分隔氧化剂和燃和分隔氧化剂和燃料的作用。在阴极，氧分子得到电料的作用。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，并与燃空位，定向跃迁到阳极侧，并与燃料进行氧化反应。料进行氧化反应。现在学习的是第4页，共16页固体氧化物燃料电池工作原理示意图固体氧化物燃料电池工作原理示意图现在学习的是第5页，共16页现在学习的是第6页，共16页三、电池结构三、电池结构v

4、由于是全固体的结构，固体氧化物燃料电池由于是全固体的结构，固体氧化物燃料电池具有多样性的电池结构，以满足不同需求。具有多样性的电池结构，以满足不同需求。主要电池结构有管式、平板式、套管型、单主要电池结构有管式、平板式、套管型、单块叠层结构及热交换一体化的块叠层结构及热交换一体化的HEXIS结构等结构等等。不同结构类型的等。不同结构类型的SOFC在结构、性能及在结构、性能及制备等方面各具优缺点。制备等方面各具优缺点。现在学习的是第7页，共16页管式管式SOFCv管状结构管状结构SOFC是最早发展的一种形式，是最早发展的一种形式，也是目前较为成熟的一种形式。单电池由也是目前较为成熟的一种形式。单电

5、池由一端封闭、一端开口的管子构成，如图一端封闭、一端开口的管子构成，如图2a所示。最内层是多孔支撑管，由里向所示。最内层是多孔支撑管，由里向外依次是阴极、电解质和阳极薄膜。氧外依次是阴极、电解质和阳极薄膜。氧气从管芯输入，燃料气通过管子外壁供气从管芯输入，燃料气通过管子外壁供给。给。目前管状结构单电池已经运行了数万小目前管状结构单电池已经运行了数万小时。单电池通过阴、阳极间连接形成电时。单电池通过阴、阳极间连接形成电池堆，如左图所示。池堆，如左图所示。现在学习的是第8页，共16页 管型管型SOFC的优点的优点：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单电池间的连接体

6、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，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池组。管型大功率的电池组。管型SOFC一般在很高的温度下操作，主要用于固定电一般在很高的温度下操作，主要用于固定电站系统，所以高温站系统，所以

7、高温SOFC一般采用管型结构。一般采用管型结构。管型管型SOFC的缺点的缺点：电流通过的路径较长，限制了电流通过的路径较长，限制了SOFC的性能。的性能。现在学习的是第9页，共16页平板型平板型SOFCv平板型固体氧化物燃料电池的几何形状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简单，其设计形状使得制作工艺大为简化。平板式化。平板式SOFC结构组成如图结构组成如图3a所所示。阳极、电解质、阴极薄膜组成示。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，并在两侧提供气相邻阴极和阳极，并在两侧提供气体通道，同时隔开两种

8、气体。体通道，同时隔开两种气体。现在学习的是第10页，共16页平板型平板型SOFC的优点的优点：“三合一三合一”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。径短，使平板型电池的输出功率密度较管式高。平板型平板型SOFC的缺点的缺点：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的操的操作温度降低到作温度降低到600800后，可以在很大程度上扩展电池采用的选择范围、后，可以在很大程度上扩展电池采用的选择范围、提高电池运行的

9、稳定性和可靠性，降低电池系统的制造和运行成本。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。现在学习的是第11页，共16页四、特点四、特点v(1)运行温度高（一般为运行温度高（一般为8001000），阴、阳极的化学反应速率大，并），阴、阳极的化学反应速率大，并接近于热力学平衡，电极处的极化阻抗小，可以通过大的电流密度，不需接近于热力学平衡，电极处的极化阻抗小，可以通过大的电流密度，不需要贵重的催化剂；要贵重的催化剂；v(2)由于固体氧化物电解质的透气性很低，电子电导率低，开路时电由于固体氧化物电解质的透气性很低，电子电导率低，开路时电压可以达到理论值的压可以达到理论值的96；v(

10、3)由于由于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；率高；v(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；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；v(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；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；v(6)可使用多种燃料，包括直接使用碳氢化合物；可使用多种燃料，包括直接使用碳氢化合物；v(7)不要求外围设备条件，诸如不需要湿度控制、空气调节等。不要求外围设备条件，诸如不需要湿度控制、空气调节

11、等。现在学习的是第12页，共16页五、五、SOFC的国内外研究与开发现状的国内外研究与开发现状n管型管型SOFC是目前最接近商业化的是目前最接近商业化的SOFC发电技术。西发电技术。西门子门子-西屋动力公司（西屋动力公司（SWPC）；）；n日本的日本的Kansai电力公司的管型电力公司的管型SOFC已经进行了已经进行了10529h的高电流的高电流密度放电试验；密度放电试验；n加拿大的加拿大的Global热电公司在中温平板型热电公司在中温平板型SOFC研发领域具有举足轻研发领域具有举足轻重的地位；重的地位；n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中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科

12、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所、中国科技大学等正在进行平板型SOFC的研发。的研发。现在学习的是第13页，共16页v我国我国SOFC的研制始于的研制始于1971年年,当时中科院上海硅酸盐研究所开当时中科院上海硅酸盐研究所开展展SOFC的电解质材料和电极材料的研究的电解质材料和电极材料的研究.近几年来近几年来,国内吉林大学国内吉林大学,清华大学清华大学,华南理工大学华南理工大学,科技大学科技大学,中国科学院物理研究所中国科学院物理研究所,上海硅酸上海硅酸盐所盐所,北京化冶所和大连化物所分别开展北京化冶所和大连化物所分别开展SOFC的相关材料的相关材料,单电单电池组装及测试

13、方面的研究工作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上海硅酸盐所在氧化锆电解质,电极材料和电极材料和SOFC单电池制备研究方面开展了大量的工作单电池制备研究方面开展了大量的工作,大连大连化物所化物所90年代初开始固体氧化物燃料电池究年代初开始固体氧化物燃料电池究,Pt/YSZ,LSM/YSZ,Ni2YSZ等电极制备等电极制备,性能优化以及电极上电化学过程进行了大量性能优化以及电极上电化学过程进行了大量深入的研究深入的研究,提出提出LSM电极中氧空位的形成机理电极中氧空位的形成机理,LSM+YSZ复合复合电极中电极中YSZ的作用机理的作用机理.研制出平板式单电池研制出平板式单电池

14、,用用H2或或CH4作作燃料功率密度达到燃料功率密度达到0.15W/cm2.现在学习的是第14页，共16页v目前目前,正开展中温正开展中温SOFC的研制的研制,在多孔在多孔Ni2YSZ基膜上制备负载基膜上制备负载型型YSZ膜膜(1020m)方面方面,已取得初步成效已取得初步成效.中科院化冶所在中科院化冶所在1995年从俄罗斯引进了年从俄罗斯引进了20W块状叠层电池组进行了运行试验块状叠层电池组进行了运行试验,并设计了一种新型并设计了一种新型SOFC结构结构,申请了专利申请了专利.华南理工大学成功华南理工大学成功研制出瓦级管式研制出瓦级管式SOFC单电池单电池,吉林大学正承担计委吉林大学正承担计委kW级级SOFC电池组的研究工作电池组的研究工作.我国在我国在“九五九五”期间期间,SOFC的研究的研究与发展得到了重视与发展得到了重视,国家计委国家计委,科委科委,自然科学基金委以及其它部门分自然科学基金委以及其它部门分别立项别立项,组织开展这方面的研究和攻关工作组织开展这方面的研究和攻关工作,经费投入也有较大的经费投入也有较大的增加增加.现在学习的是第15页，共16页感谢大家观看现在学习的是第16页，共16页