固体氧化物燃料电池（SOFC）PDF

固体氧化物燃料电池（SOFC）及其发展摘要: 固体氧化物燃料电池是一种电化学装置，可将燃料中的化学能直接转化为电能. 具有高效，零污染，无噪音的特点. 它可以为民用，贸易，军事和运输提供高质量的电力. 该技术的成功应用对缓解能源危机，满足电能质量和需求，保护生态环境和国家安全具有重要意义. 本文简要介绍了固体氧化物燃料电池，其现状和存在的问题，并提出了值得进一步研究的课题. 关键词: 固体氧化物燃料电池（SOFC）现状发展1 oxide固体氧化物燃料电池的发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年. SOFC的发展始于1940年代，但1980年代以后的研究已经蓬勃发展. 以美国西屋电气公司为代表，开发了SOFC的管状结构，通过挤压成型法制备了多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后通过电化学气相沉积法制备了厚度为10至100μm的电解质膜和电极膜. 1987年，该公司在日本安装了25kW级的发电和余热供暖SOFC系统. 到1997年3月，它已经成功运行了大约13,000小时. 1997年12月，荷兰的西门子西屋电气公司安装了第一套100kW管状SOFC系统，该系统于2000年底关闭，共工作了16,612小时，能源效率为46％. 2002年5月，西门子西屋公司与加利福尼亚大学合作在加利福尼亚州安装了第一个220kW SOFC和燃气轮机联动的发电系统，目前获得的能量转换效率为58％. 猜猜它可能达到70％.

接下来，我们计划在德国安装一个320kW的联动发电系统，并建造一个1MW的发电系统. 预计管状结构SOFC将于2005年底开始交易. 与此同时，日本三菱重工业长崎造船厂，九州电力公司和Toto公司，德国海德堡中央研究院等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电测试. 此外，加拿大的全球热电公司（GE）和Z2tek等美国公司在开发平板SOFC方面取得了进展，目前正在试运行千瓦级模块. 全球热电公司在700°C的温度下运行时获得的功率密度达到0.723 W / cm2. 日本工业技术大学电子技术研究所于1974年开始研究SOFC. 1984年进行了500W发电测试，最大输出功率为1.2 kW. 由工业技术开发组织（NEDO）领导的日本的新阳光项目自1989年以来一直在开发基本的制造技术，并且已经测试了数百台千瓦级发电机组. 自1992年以来，富士电机研究所和三洋电机在共同研发多千瓦平板模块的基础上，组织了7个研究机构，共同开发高性能，长寿命的SOFC材料和基本技术. 三菱重工神户造船和中部电力于1996年成功成功运行5kW平板SOFC模块. 1998年，最大功率密度为0135W / cm2（通常为0.15〜0.2W / cm2）2000年9月11日，实现了输出功率为15 kW的平板SOFC，并连续运行1000小时而没有衰减.

德国西门子公司于1995年开发了10kW级的平板式SOFC，并于1996年推出了7.2kW级的模块. 研究中心朱利希（弗劳恩霍夫陶瓷技术研究所和烧结材料）等已经获得了几千瓦的功率输出. 瑞士苏尔寿科技公司正在积极开发家用SOFC. 目前，它已开发出1kW级模块. 英国的“先进燃料电池计划”始于1992年. 该计划也并入了英国的“新能源和可再生能源计划”. 目标是到2005年实现SOFC的现场测试和演示. 与此同时，以英国，法国和荷兰的大学和国家研究机构为中心的研究机构正在积极研究和开发中低温SOFC电池材料. 为了促进SOFC的发展，欧洲共同体在1994年建立了“欧洲燃料电池十年研究与开发和示范计划”项目. 目的是集中精力加速SOFC的贸易. 在汽车应用领域，SOFC的开发也非常活跃.

1996年，奔驰汽车制造调试了2.2 kW模块，历时6000小时. 2001年2月16日: BMW和Delphi Automotive System Corporation在过去两年中开发的第一款以SOFC为辅助动力单元的汽车（辅助动力单元）作为第一代SOFC / APU系统在慕尼黑推出. 它的功率为3kW，电压输出为21V. 它的油耗比传统汽车低46％. 第二代目标是5kW SOFC系统. 预期尺寸为500×500×250mm. 电压输出为42V. 其他汽车公司，例如丰田，日产，本田，福特等，都有自己的SOFC项目. 在3至5年内可以实现SOFC的贸易应用. 在国外快速发展的形势下，中国的国内技术水平明显落后. 中国科学院上海陶瓷研究所，中国科学院大连化学物理研究所，中国科学技术大学，吉林大学，清华大学等代表先后进行了固体氧化物燃料电池的研究. 2固体氧化物燃料电池的工作原理与普通燃料电池一样，SOFC也是一种将反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置，但工作温度较高，一般在800〜1000℃.

它也由阳极，阴极和电极之间的电解质组成. 燃料气体（例如H2，CH4，煤气等）连续地引入阳极侧. 阳极的催化表面吸收诸如氢气的燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极和电解质的界面. 氧气或空气被连续引入阴极侧. 阴极的多孔表面吸收氧气. 由于阴极本身的催化作用，O2使电子变成O2-. 在化学势的作用下，O2入口充当电解质. 由于浓度梯度而扩散的固体氧离子导体最终到达固体电解质和阳极之间的界面，与燃料气体发生反应，并失去电子通过外部电路返回到阴极. 电化学反应过程如图1所示. 图1是传导氧离子的燃料电池的电化学反应过程的. SOFC使用陶瓷材料作为电解质，阴极和阳极. 全固态结构. 除了普通燃料电池系统的特性外，其燃料不必是纯氢. 气体: 同时，SOFC不需要使用贵金属催化剂. 陶瓷电解质需要高温操作（600〜1000℃），这可以加速反应，还可以实现多种烃类燃料气体的内部还原. 简化设备. 同时，系统产生高温，清洁和高质量的热气. 能源利用率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统[2]. 3固体氧化物燃料电池的组成和结构单个燃料电池的主要部件由电解质，阳极或燃料电极，阴极或空气电极以及互连结构组成. ）组成.

电解液是电池的核心，电解液的性能直接决定电池的工作温度和性能. 目前，SOFC中使用的大量电解质是完全稳定的ZrO2陶瓷. 纯ZrO2在1000°C时具有非常低的电导率，仅为10 -7S·cm-1，接近灭绝物质. ZrO2掺杂有一些二价或三价金属氧化物（例如CaOY2O3）. 低价金属离子占据Zr4 +位置. 结果是，只有ZrO2从室温到高温（1000℃）都具有稳定的相结构（萤石结构），并且由于电中性要求，材料中会产生大量的O2空位，从而增加了ZrO2的离子电导率，使其在高温（800〜1000℃）下的电导率达到10-2〜10-在1S·cm-1以上，同时扩大了离子传导的氧分压范围，目前，Y2O3稳定了ZrO2 （缩写为YSZ）用作电解质材料，当氧分压变化超过十个数量级时，其离子传导率不会发生明显变化，电极材料本身首先是催化剂，SOFC的阳极材料要求具有高的电子电导率，在还原性气氛中稳定并保持良好的磁导率，常用的材料是金属陶瓷，其镍粉分散在YSZ中. 这种材料在高温氧气气氛中起作用，起着转移电子和扩散氧气的作用，应该是一种多孔的电子导电膜. 要求阴极材料具有高电导率，高温抗氧化性和高温热稳定性，并且不与电解质发生化学反应.

广泛的实验已经证实LaxSr1-xMnO3是首选的阴极材料. 连接器材料在连接单个电池中发挥作用，并将阳极侧的燃料气体与阴极侧的氧化气体（氧气或空气）隔离. 在SOFC中，要求连接器材料在高温，氧化和还原气氛中在组成，晶相和化学性质方面稳定. 热膨胀性能与电解质组分材料匹配. 它还具有良好的气密性和高温. 导电性能. 钙钛矿结构的铬酸镧（LaCrO3）通常用作SOFC连接器材料. 另外，高温和低膨胀合金材料也普遍用作扁平SOFC连接器材料. 4固体氧化物燃料电池的现状和问题由于当前能源短缺和环境污染，世界各国正在积极研究和开发SOFC技术，以实现有效的能量转换并最大程度地减少对环境的破坏. 众所周知，就目前情况而言，SOFC技术在性能，寿命和成本方面尚未达到商业化的要求. 但是，通过全球研究人员的努力，这一目标是完全可以实现的. 五年前，扁平化SOFC设计还没有成为发展的主流方向. 近年来，由于越来越重视单电池的设计，SOFC的工作温度已从最初的1000°C降低到600-800°C. 与在1000℃左右工作的管状SOFC相比，平面SOFC具有相似或更高的输出功率密度.

其优点主要体属可以用作其连接体的材料，从而提高了电池组的导电性和导热性，并降低了生产成本[3]. 当然，世界各国，特别是发达国家，已经在SOFC的研发中投入了大量的人力，物力和财力. 然而，从目前的水平来看，仍然需要克服许多技术难题，包括材料，设计和制备工艺等. （1）单电池材料单电池主要由阴极，电解质和阳极组成. 传统的阴极材料是钙钛矿结构（ABO3）的LaxSr1-xMnO3（LSM）. 除Sr外，还对A或B位置的其他掺杂元素进行了广泛的研究. 在低温和中温下，这些材料表现出诸如电化学活性不足，电阻过大，离子电导率不足以及与电解质材料反应以产生彼此相等的高电阻的可能性. 目前，研究人员正在寻找其他具有钙钛矿结构的材料来替代LSM，例如LaxSr1-xFeO3，LaxSr1-xFeyCo1-yO3或其他稀土元素来替代La [4].

另一个值得研究的方向是考虑使用诸如钯之类的贵金属作为阴极材料. 钯是一种良好的氧化还原催化材料. 但是，由于成本原因，该领域的研究远少于钙钛矿正极材料. 实际上，如果可以优化多孔阴极表面上Pd的分布并在高温下保持其精细分散的微观结构，其性能将大大优于钙钛矿阴极材料，并且还可以简化生产过程. 单细胞的过程. 因此，单个电池的成本没有明显变化. 最常用的电解质材料是Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）. YSZ在约1000°C的温度下工作时具有很高的氧离子传导性. 但是，当温度降低到600〜800℃时，其离子电导率会大大降低. 仅通过改进制造工艺，电解质层的厚度被减小至微米量级以减小其欧姆损耗. 也有报道表明，精制YSZ晶粒可以将其抗性降低数倍[5]. 除了YSZ以外，具有高氧离子传导性的电解质材料也受到了极大的关注，例如掺Gd的CeO2和Sr或掺Sc的ZrO2. 阳极材料通常是由Ni和YSZ组成的金属陶瓷. 镍产生催化作用和电子传导. YSZ传导氧离子并调节热膨胀系数，使其与电解质材料匹配. 目前氧化物燃料电池，阳极材料面临的困难是需要提高其对硫中毒和抗氧化还原性的耐受性.

SOFC的优点之一是它在燃料施加方面的灵活性. 当诸如柴油之类的碳氢化合物分解成氢时，通常不可避免地会产生一定量的硫. 尽管阳极气氛中的氧分压不足以氧化阳极中的Ni，但是，在发生故障的情况下，例如当阳极气氛中断或密封破裂时，不可避免地会发生氧化气氛进入阳极侧以氧化阳极. 基于这些考虑，研究人员正在积极探索可以满足耐硫和抗氧化要求的负极材料. （2）电池堆材料这里所说的电池堆材料是指电池堆中除单电池以外的材料，主要包括连接器材料，密封材料和界面材料. 当SOFC在1000°C的高温下运行时，连接器材料为LaCrO3掺杂的Sr或其他元素. 对于目前正在开发的扁平SOFC，金属材料是研究人员首先考虑的对象[6]. 金属材料连接器的一般要求是抗氧化性，导电性，高温机械强度，热膨胀系数匹配以及与彼此接触的材料的化学相容性. 含铬的铁素体不锈钢是最有前途的材料. 但是，为了满足连接器的功能要求，其抗氧化性和氧化后的导电性尚未得到改善. 在电池组中，密封材料被放置在单电池和连接器之间，从而限制了燃料和氧化性气氛进入它们各自的空间. 最常用的密封材料是玻璃材料. 通常在SOFC堆栈中放置的是玻璃原料的混合物，并且在随后对堆栈进行加热时，该混合物会与本来需要的玻璃密封件发生反应.

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