新能源材料第7讲讲解.ppt

7 固体氧化物燃料电池材料 7.1 固体氧化物燃料电池简介 7.2 固体氧化物燃料电池材料 7.3 电池结构与性能 7.1 固体氧化物燃料电池简介 固体氧化物燃料电池(SOFC)以固体氧化物作为电解质。 发生的反应如下： 还原反应 氧化反应 电池总反应 从原理上讲，固体氧化物燃料电池是最理想的燃料电池类型之一。它的优点： 高效与环境友好； 全固体结构，避免了使用液态电解质带来的腐蚀和流失； 高温下电极反应迅速无需贵金属，成本低； 释放的热量可以充分利用，提高利用效率； 燃料适用范围广泛。 不足：电池组装困难，过高工作温度和陶瓷材料的脆性而引起的技术难题较多。 7.2 固体氧化物燃料电池材料 7.2.1 固体氧化物电解质与氧化物电解质膜 氧化物固体电解质通常为萤石结构的氧化物，目前应用最广的是6％～10％（mol）Y2O3掺杂的ZrO2。其他萤石及相关结构的氧化物电解质虽然电导率高，但缺点是在低氧分压下产生电子电导或被还原，降低电池的性能。 降低工作温度的途径： 寻找高电导率的氧化物固体电解质。 减薄YSZ厚度，制备负载YSZ薄膜。 7.2.2 电极材料与其他电池材料 7.2.2.1 阴极材料 在高温SOFC中，要求电极必须具备特点： 多孔性； 高的电子导电性； 化学和热相容性及相近的膨胀系数。 7.2.2.2 阳极材料 a) Ni－YSZ金属陶瓷电极 阳极材料研究范围较窄，主要集中在Ni、Co、Ru、Pt等适合作阳极的金属以及具有混合物电导性能的氧化物上。 b) 其他阳极材料 阳极材料还可采用混合导电氧化物，这类氧化物的优点是具有电子导电性，整个电极表面可成为电化学活性区域；其次对H2、碳氢化合物均有催化活性。缺点不稳定、易被还原。 7.2.2.3 双极连接材料 双击连接板在SOFC中起连接阴、阳电极的作用，特别是在平板式SOFC中同时起分隔燃料与氧化剂合构成流场与导电作用。 目前有两类材料满足要求： LCC材料 Cr－Ni合金材料 7.2.2.4 高温无机密封材料 高温无机密封材料是平板式SOFC的关键材料之一，组装电池时用于电极/电解质三合一平板结构合双极连接板之间的密封。高温无机密封材料必须具备高温下密封性好、稳定性高以及与固体电解质和连接板材料热膨胀兼容性好等特点。 7.3 电池结构与性能 7.3.1 管式SOFC CSZ 多孔管起支撑作用并允许空气自由通过，到达空气电极。 LSM 空气电极支撑管、YSZ电解质膜和Ni－YSZ陶瓷阳极通常采用挤压成型、电化学沉淀（EVD）、喷涂等方法制备，经高温烧结而成。 性能：虽然管式电池功率密度为0.15W/cm2，比平板电池低，但是寿命长。 缺点：造价高。 7.3.2 平板式SOFC 平板式SOFC的空气电极/YSZ固体电解质/燃料电极烧结成一体，形成三合一结构（PEN平板），其结构如下图： 平板式SOFC结构的优点： 电池结构简单，制备工艺简单，成本低； 电流流程短，采集均匀，电池功率密度也较管式高。 平板式SOFC结构的缺点： 需解决高温无机密封的技术难题； 对双极连接材料要求高。 平板式SOFC结构的性能： 由于平板式SOFC制备工艺简单和电池功率密度较高，近几年来成为国际研究的主流，针对高温平板式电池对结构材料的苛刻要求以及性能衰减较快的问题，平板式电极发展趋势式简单电池的工作温度。 7.3.3 瓦楞式SOFC 瓦楞式SOFC的基本结构和平板式SOFC相同，两者区别在于PEN的形状不同。瓦楞形的PEN本身形成气体通道，因而双极连接板不需要导气槽。 7.3.4 其他SOFC结构 热交换一体化的SOFC模块(HEXIS)是由瑞士Sulzer公司发展出的一种新型结构，实际上也是一种平板式结构。 美国Ceramatec公司进行了新型的CPnR设计。 * * 本章完！ *