新能源材料固体氧化物燃料电池(SOFC)课件.ppt

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1、第九章第九章第九章第九章 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（固体氧化物燃料电池（SOFCSOFCSOFCSOFC）第一节第一节第一节第一节 概述概述概述概述一、电池的工作原理一、电池的工作原理一、电池的工作原理一、电池的工作原理固体氧化物燃料电池电化学固体氧化物燃料电池电化学反应过程示意图反应过程示意图 固体氧化物燃料电池工作原理图固体氧化物燃料电池工作原理图 实用文档实用文档简单的简单的简单的简单的SOFCSOFCSOFCSOFC由阴极、阳极、电解质和用电器所组成。氧由阴极、阳极、电解质和用电器所组成。氧由阴极、阳极、电解质和用电器所组成。氧由阴极、阳极、电解质和用

2、电器所组成。氧分子在空气极得到电子，被还原成氧离子分子在空气极得到电子，被还原成氧离子分子在空气极得到电子，被还原成氧离子分子在空气极得到电子，被还原成氧离子O O O O2-2-2-2-，在阴阳极，在阴阳极，在阴阳极，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）氧的化学位差作用下，氧离子（通常以氧空位的形式）氧的化学位差作用下，氧离子（通常以氧空位的形式）氧的化学位差作用下，氧离子（通常以氧空位的形式）通过电解质（固态）传输到阳极，并在阳极同燃料发通过电解质（固态）传输到阳极，并在阳极同燃料发通过电解质（固态）传输到阳极，并在阳极同燃料发通过电解质（固态）传输到阳极，并在阳极同燃

3、料发生，生成水和电子，电子通过外电路的用电器做功，生，生成水和电子，电子通过外电路的用电器做功，生，生成水和电子，电子通过外电路的用电器做功，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。并形成回路。并形成回路。并形成回路。阴极反应：阴极反应：阴极反应：阴极反应：O O O O2 2 2 2+4e2O+4e2O+4e2O+4e2O2-2-2-2-阳极反应：阳极反应：阳极反应：阳极反应：H H H H2 2 2 2(g)+O(g)+O(g)+O(g)+O2-2-2-2-HHHH2 2 2 2O(g)+2eO(g)+2eO(g)+2eO(g)+2e总反应：总反应：总反应：总反应：2H2

4、H2H2H2 2 2 2+O+O+O+O2 2 2 22H2H2H2H2 2 2 2O O O O实用文档实用文档同其他燃料电池的区别：同其他燃料电池的区别：同其他燃料电池的区别：同其他燃料电池的区别：热损失在热损失在热损失在热损失在SOFCSOFCSOFCSOFC中可以得到有效的利用：一是这些热量中可以得到有效的利用：一是这些热量中可以得到有效的利用：一是这些热量中可以得到有效的利用：一是这些热量保证了保证了保证了保证了SOFCSOFCSOFCSOFC在高温下运行；二是高温热量可以有效的在高温下运行；二是高温热量可以有效的在高温下运行；二是高温热量可以有效的在高温下运行；二是高温热量可以有效

5、的利用，如蒸汽发电等；利用，如蒸汽发电等；利用，如蒸汽发电等；利用，如蒸汽发电等；SOFCSOFCSOFCSOFC可以直接使用任何可燃物质作为燃料。可以直接使用任何可燃物质作为燃料。可以直接使用任何可燃物质作为燃料。可以直接使用任何可燃物质作为燃料。二、二、二、二、SOFCSOFCSOFCSOFC的结构类型及其特点的结构类型及其特点的结构类型及其特点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。常采用的结构类型有管型和平板型两种。常采用的结构类型有管型和平板型两种。常采用的结构类型有管型和平板型两种。管型管型管型管型SOFCSOFCSOFCSOFC电池组由一端封闭的管状单电池以串联、并

6、电池组由一端封闭的管状单电池以串联、并电池组由一端封闭的管状单电池以串联、并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。联方式组装而成。联方式组装而成。联方式组装而成。平板型平板型平板型平板型SOFCSOFCSOFCSOFC的空气电极的空气电极的空气电极的空气电极/YSZ/YSZ/YSZ/YSZ固体电解质固体电解质固体电解质固体电解质/燃料电极烧结燃料电极烧结燃料电极烧结燃料电极烧结成一体，组成成一体，组成成一体，组成成一体，组成“三合一三合一三合一三合一”结构（结构（结构（结构（PENPENPENPEN）。）。）。）。实用文档实用文档实用文档实用文档SOFCSOFCSOFCSOFC

7、的优点：的优点：的优点：的优点：全固态的电池结构，避免了使用液态电解质所全固态的电池结构，避免了使用液态电解质所全固态的电池结构，避免了使用液态电解质所全固态的电池结构，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；带来的腐蚀和电解液流失等问题；带来的腐蚀和电解液流失等问题；带来的腐蚀和电解液流失等问题；对燃料的适应性强；对燃料的适应性强；对燃料的适应性强；对燃料的适应性强；能量转换效率高；能量转换效率高；能量转换效率高；能量转换效率高；不需要使用贵金属催化剂；不需要使用贵金属催化剂；不需要使用贵金属催化剂；不需要使用贵金属催化剂；低排放，低噪声；低排放，低噪声；低排放，低噪声；低排放，

8、低噪声；规模和安装地点灵活。规模和安装地点灵活。规模和安装地点灵活。规模和安装地点灵活。实用文档实用文档三、三、三、三、SOFCSOFCSOFCSOFC的国内外研究与开发现状的国内外研究与开发现状的国内外研究与开发现状的国内外研究与开发现状n n管型管型管型管型SOFCSOFCSOFCSOFC是目前最接近商业化的是目前最接近商业化的是目前最接近商业化的是目前最接近商业化的SOFCSOFCSOFCSOFC发电技术。西发电技术。西发电技术。西发电技术。西门子门子门子门子-西屋动力公司（西屋动力公司（西屋动力公司（西屋动力公司（SWPCSWPCSWPCSWPC）；）；）；）；n n日本的日本的日本的

9、日本的KansaiKansaiKansaiKansai电力公司的管型电力公司的管型电力公司的管型电力公司的管型SOFCSOFCSOFCSOFC已经进行了已经进行了已经进行了已经进行了10529h10529h10529h10529h的高电流密度放电试验；的高电流密度放电试验；的高电流密度放电试验；的高电流密度放电试验；n n加拿大的加拿大的加拿大的加拿大的GlobalGlobalGlobalGlobal热电公司在中温平板型热电公司在中温平板型热电公司在中温平板型热电公司在中温平板型SOFCSOFCSOFCSOFC研发领域研发领域研发领域研发领域具有举足轻重的地位；具有举足轻重的地位；具有举足轻重

10、的地位；具有举足轻重的地位；n n中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学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物理研究所、中国科技大学等正在进行平板型物理研究所、中国科技大学等正在进行平板型物理研究所、中国科技大学等正在进行平板型SOFCSOFCSOFCSOFC的的的的研发。研发。研发。研发。实用文档实用文档四、四、四、四、SOFCSOFCSOFCSOFC的应用的应用的应用的应用实用文档实用文档第二节第二节第二节第二节 SOFCSOFCSOFCSO

11、FC电解质材料电解质材料电解质材料电解质材料固体电解质是固体电解质是固体电解质是固体电解质是SOFCSOFCSOFCSOFC最核心的部件。最核心的部件。最核心的部件。最核心的部件。电解质必须具备以下条件：电解质必须具备以下条件：电解质必须具备以下条件：电解质必须具备以下条件：pp高的离子电导率和可以忽略的电子电导率；高的离子电导率和可以忽略的电子电导率；高的离子电导率和可以忽略的电子电导率；高的离子电导率和可以忽略的电子电导率；pp在氧化和还原气氛中具有良好的稳定性；在氧化和还原气氛中具有良好的稳定性；在氧化和还原气氛中具有良好的稳定性；在氧化和还原气氛中具有良好的稳定性；pp能够形成致密的薄

12、膜；能够形成致密的薄膜；能够形成致密的薄膜；能够形成致密的薄膜；pp足够的机械强度和较低的价格等。足够的机械强度和较低的价格等。足够的机械强度和较低的价格等。足够的机械强度和较低的价格等。实用文档实用文档电解质材料电解质材料电解质材料电解质材料氧化钇稳定立方氧化锆（氧化钇稳定立方氧化锆（YSZYSZ）氧化钪稳定立方氧化锆（氧化钪稳定立方氧化锆（SSZSSZ）钙钛矿结构的镓酸镧基氧化物钙钛矿结构的镓酸镧基氧化物掺杂立方氧化铈（掺杂立方氧化铈（DCODCO）高温高温SOFCSOFC（80010008001000）中温中温SOFCSOFC（600800600800）低温低温SOFCESOFCE（60

13、0600以下）以下）实用文档实用文档电解质电解质电解质电解质优点优点优点优点不足之处不足之处不足之处不足之处YSZYSZ在氧化和还原气氛下稳定性良好；在氧化和还原气氛下稳定性良好；在氧化和还原气氛下稳定性良好；在氧化和还原气氛下稳定性良好；机械性能良好；寿命可达机械性能良好；寿命可达机械性能良好；寿命可达机械性能良好；寿命可达4 4万小时万小时万小时万小时以上；稳定可靠的原材料供给以上；稳定可靠的原材料供给以上；稳定可靠的原材料供给以上；稳定可靠的原材料供给氧离子电导率低；与部氧离子电导率低；与部氧离子电导率低；与部氧离子电导率低；与部分阴极材料不相容分阴极材料不相容分阴极材料不相容分阴极材料

14、不相容掺杂氧化铈掺杂氧化铈掺杂氧化铈掺杂氧化铈与阴极材料相容；在低氧分压下与阴极材料相容；在低氧分压下与阴极材料相容；在低氧分压下与阴极材料相容；在低氧分压下为混合电子、氧离子导体，适合为混合电子、氧离子导体，适合为混合电子、氧离子导体，适合为混合电子、氧离子导体，适合做阳极材料做阳极材料做阳极材料做阳极材料低氧分压下具有电子导低氧分压下具有电子导低氧分压下具有电子导低氧分压下具有电子导电性，开路电压低；机电性，开路电压低；机电性，开路电压低；机电性，开路电压低；机械性能比械性能比械性能比械性能比YSZYSZ低低低低LSGMLSGM与阴极相容与阴极相容与阴极相容与阴极相容低氧分压下低氧分压下低

15、氧分压下低氧分压下GaGa挥发；与挥发；与挥发；与挥发；与NiONiO不相容；机械性能不相容；机械性能不相容；机械性能不相容；机械性能与与与与DOCDOC相当相当相当相当SSZSSZ在氧化和还原气氛下稳定性良好在氧化和还原气氛下稳定性良好在氧化和还原气氛下稳定性良好在氧化和还原气氛下稳定性良好ScSc昂贵，来源受限制昂贵，来源受限制昂贵，来源受限制昂贵，来源受限制SOFCSOFC主要电解质的优越性和不足之处主要电解质的优越性和不足之处实用文档实用文档一、氧化钇稳定的氧化锆（氟化钙晶体结构）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：氧化锆有三种变体：单斜相（单斜相（M M），稳定

16、温度为），稳定温度为11001100；四方相（四方相（T T），稳定温度为），稳定温度为1100230011002300；立方相（立方相（C C），高温稳定相，熔点是），高温稳定相，熔点是27152715。单斜结构单斜结构四方结构四方结构面心立方结构面心立方结构 1170117023702370实用文档实用文档加入氧化钇稳定剂，可以将立方氧化锆稳定到室温，加入氧化钇稳定剂，可以将立方氧化锆稳定到室温，加入氧化钇稳定剂，可以将立方氧化锆稳定到室温，加入氧化钇稳定剂，可以将立方氧化锆稳定到室温，同时产生同时产生同时产生同时产生氧空位氧空位氧空位氧空位，氧空位浓度由掺杂量确定。，氧空位浓度由掺杂量确

17、定。，氧空位浓度由掺杂量确定。，氧空位浓度由掺杂量确定。氧离子电导率为氧离子电导率为氧离子电导率为氧离子电导率为：=nq=nq=nq=nq n n n n：可移动氧空位浓度；：可移动氧空位浓度；：可移动氧空位浓度；：可移动氧空位浓度；：氧空位迁移率；：氧空位迁移率；：氧空位迁移率；：氧空位迁移率；q q q q：氧空位带电量。氧空位带电量。氧空位带电量。氧空位带电量。VVO O：可移动氧空位分数。：可移动氧空位分数。E E：导电活化能：导电活化能实用文档实用文档YSZYSZ的电导率与氧化钇的浓度有关；与掺杂剂阳离子大小有关，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

18、杂量随离子尺寸增大而减小。电导率取极值时，掺杂量随离子尺寸增大而减小。实用文档实用文档在在ZrOZrO2 2-M-M2 2O O3 3体系中，体系中，10001000时最大电导率、时最大电导率、电导率最大时电导率最大时M M2 2O O3 3含量与含量与M M3+3+离子半径的关系离子半径的关系实用文档实用文档l l掺杂离子与晶格离子尺寸相差越大，空位移动所要掺杂离子与晶格离子尺寸相差越大，空位移动所要掺杂离子与晶格离子尺寸相差越大，空位移动所要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；克服的应变能越大，移动速度越小；克服的应变能越大，移动速度越小；克服的应变

19、能越大，移动速度越小；低温时：低温时：低温时：低温时：E=E E=E E=E E=Em m m m+E+E+E+Ea a a a E E E Em m m m:迁移焓迁移焓迁移焓迁移焓高温时：氧空位浓度等于高温时：氧空位浓度等于高温时：氧空位浓度等于高温时：氧空位浓度等于3 3 3 3价掺杂氧化物浓度。价掺杂氧化物浓度。价掺杂氧化物浓度。价掺杂氧化物浓度。l l缔合能随掺杂离子半径的增加而减小。缔合能随掺杂离子半径的增加而减小。缔合能随掺杂离子半径的增加而减小。缔合能随掺杂离子半径的增加而减小。E Ea a：缔合能：缔合能掺杂氧化锆的电导率、移动活化能、掺杂氧化锆的电导率、移动活化能、缔合活化

20、能与掺杂离子半径的关系缔合活化能与掺杂离子半径的关系实用文档实用文档氧化钇稳定氧化锆的性质：氧化钇稳定氧化锆的性质：氧化钇稳定氧化锆的性质：氧化钇稳定氧化锆的性质：YSZYSZYSZYSZ表现出高稳定性和与其他组元间良好相容性；表现出高稳定性和与其他组元间良好相容性；表现出高稳定性和与其他组元间良好相容性；表现出高稳定性和与其他组元间良好相容性；纯纯纯纯ZrOZrOZrOZrO2 2 2 2不导电，不导电，不导电，不导电，8%9%8%9%8%9%8%9%（摩尔分数）（摩尔分数）（摩尔分数）（摩尔分数）Y Y Y Y2 2 2 2O O O O3 3 3 3全稳定全稳定全稳定全稳定YSZYSZY

21、SZYSZ表现表现表现表现出最大电导率；出最大电导率；出最大电导率；出最大电导率；YSZYSZYSZYSZ材料力学性能一般，且随温度升高而明显衰减。材料力学性能一般，且随温度升高而明显衰减。材料力学性能一般，且随温度升高而明显衰减。材料力学性能一般，且随温度升高而明显衰减。ZrOZrOZrOZrO2 2 2 2系统中，低系统中，低系统中，低系统中，低Y Y Y Y2 2 2 2O O O O3 3 3 3含量（含量（含量（含量（2%3%2%3%2%3%2%3%）时具有四方相稳定）时具有四方相稳定）时具有四方相稳定）时具有四方相稳定结构（结构（结构（结构（Y-TZPY-TZPY-TZPY-TZP

22、），室温和高温下都表现出很好的力学性），室温和高温下都表现出很好的力学性），室温和高温下都表现出很好的力学性），室温和高温下都表现出很好的力学性能，在能，在能，在能，在600600600600以下时，电导率比以下时，电导率比以下时，电导率比以下时，电导率比YSZYSZYSZYSZ高。高。高。高。加入加入加入加入AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3可提高可提高可提高可提高YSZYSZYSZYSZ基体力学性能，且电导率得以提高基体力学性能，且电导率得以提高基体力学性能，且电导率得以提高基体力学性能，且电导率得以提高或至少不降低。或至少不降低。或至少不降低。或至少不降低。实用文

23、档实用文档二、掺杂氧化铈二、掺杂氧化铈二、掺杂氧化铈二、掺杂氧化铈DCODCODCODCO的电导率平均比的电导率平均比的电导率平均比的电导率平均比YSZYSZYSZYSZ高一个数量级以上。只有在高氧分压下高一个数量级以上。只有在高氧分压下高一个数量级以上。只有在高氧分压下高一个数量级以上。只有在高氧分压下才是纯的氧离子导体。才是纯的氧离子导体。才是纯的氧离子导体。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，纯氧化铈从室温到熔点温度都是立方萤石结构，纯氧化铈从室温到熔点温度都是立方萤石结构，纯氧化铈从室温到熔点温度都是立方萤石结构，N N N N型半导体。型半导体。型半导体。型

24、半导体。温度和氧压力变化时，可形成具有氧缺位型结构的温度和氧压力变化时，可形成具有氧缺位型结构的温度和氧压力变化时，可形成具有氧缺位型结构的温度和氧压力变化时，可形成具有氧缺位型结构的CeOCeOCeOCeO2-2-2-2-。101010LaNdSmPrLaNdSmPrLaNdSmPrLaNdSm。1000T/K 1000T/K-1-1 Ca Ca掺杂掺杂LnGaOLnGaO3 3的电导率的电导率温度温度/l lo og g/(S S/c cm m)实用文档实用文档l l在在在在LaGaOLaGaOLaGaOLaGaO3 3 3 3的的的的A A A A位掺入碱位掺入碱位掺入碱位掺入碱土金属会

25、明显提高电导土金属会明显提高电导土金属会明显提高电导土金属会明显提高电导率，其中率，其中率，其中率，其中SrSrSrSr掺杂的电导掺杂的电导掺杂的电导掺杂的电导率最高。率最高。率最高。率最高。l lB B B B位掺杂位掺杂位掺杂位掺杂MgMgMgMg也可以提高也可以提高也可以提高也可以提高电导率，掺杂量可达到电导率，掺杂量可达到电导率，掺杂量可达到电导率，掺杂量可达到20%20%20%20%。电导率最高的组分为电导率最高的组分为电导率最高的组分为电导率最高的组分为LaLaLaLa0.80.80.80.8SrSrSrSr0.20.20.20.2GaGaGaGa0.80.80.80.8MgMgM

26、gMg0.20.20.20.2O O O O3 3 3 3 (LSGM)(LSGM)(LSGM)(LSGM)。实用文档实用文档LSGMLSGMLSGMLSGM的缺点：的缺点：的缺点：的缺点：不容易得到纯相，会降低电解质的电导率；不容易得到纯相，会降低电解质的电导率；不容易得到纯相，会降低电解质的电导率；不容易得到纯相，会降低电解质的电导率；在高温下的化学稳定性不好。在高温下的化学稳定性不好。在高温下的化学稳定性不好。在高温下的化学稳定性不好。与与与与NiNiNiNi电极之间能够发生反应；电极之间能够发生反应；电极之间能够发生反应；电极之间能够发生反应；在在在在1000100010001000的还原性气氛下，的还原性气氛下，的还原性气氛下，的还原性气氛下，GaGaGaGa的挥发导致电解的挥发导致电解的挥发导致电解的挥发导致电解质分解。质分解。质分解。质分解。机械强度低，机械强度低，机械强度低，机械强度低，GaGaGaGa价格高。价格高。价格高。价格高。LSGMLSGMLSGMLSGM电解质只适用于在电解质只适用于在电解质只适用于在电解质只适用于在800800800800以下工作。以下工作。以下工作。以下工作。实用文档实用文档