固体氧化物燃料电池分解.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,固体氧化物染料电池,内容简介,发展历史,固体氧化物燃料电池简介,电池工作原理,电池构成,应用,优缺陷,固体氧化物燃料电池的发展,二十世纪80年代后来，美国西屋用挤出成型的措施制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气象沉积措施制备厚度在几十到100m的电解质和电极薄膜。1987年，该企业在日本安装的25kw级发电和余热供暖SOFC系统，到1997年3月成功运行了1.3万小时。1997年12月，西门西屋企业在荷兰安装了第一组100kw管状SOFC系统，截止究竟关闭，合计工作了16612小时，能量效率为46%，5月，西门西屋又与加州大学合作，在加州安装了一套220kwSOFC与气体涡轮机联动发电系统，目前获得的能量转化效率为58%，预测有望到达70%。,加拿大的环球热电企业，美国GE等企业在开发平板型SOFC上获得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。环球热电企业获得的功率密度，在700运行时，到达0.723W/cm2。6月，完毕了1135kw电池系统运行1100小时试验,日本工业技术院电子技术综合研究所在1984年进行了500w发电试验，输出最大功率为1.2kw，1992年开始，富士电机综合研究所和三洋电机共同研究，并在9月11日实现了功率输出为15kw的平板式SOFC持续运行1000小时无衰减。,在汽车应用领域，SOFC发展也很活跃，奔驰汽车制造企业1996年对2.2kw级模块试运行达6000小时。2月16日，由BMW与Delphi Automotive Systems Corporation合作近两年研制的第一辆由SOFC作为辅助电源系统的汽车在慕尼黑问世，作为第一代SOFC/APU 系统，其功率为3KW，电压输出为21KV，其燃料消耗比老式汽车减少46%,固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称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。被普遍认为是在未来会与质子互换膜燃料电池(PEMFC)同样得到广泛普及应用的一种燃料电池。,氧离子电导燃料电池化学反应示意图,和一般染料电池同样，SOFC也是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置，只不过工作温度较高，一般在8001000，由阳极、阴极及两级间的电解质构成。在阳极一侧持续通入燃料气，如 H2，CH4、，煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附气体例如氢，并通过阳极的多空构造扩散到阳极与电解质的界面，在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔构造的阴极表面吸附氧，由于阴极自身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-进入起电解质作用的固体离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终抵达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。,SOFC,工作原理,SOFC构造,SOFC,阳极（,anode,）,阴极（,cathode,）,固体电解质,（,solidelectrolyte,）,互连接（,interconnector,）,10,金属,Pb,Pt,，,Rh,金属陶瓷,Pt-SSZ,金属及金属陶瓷,Mn,基材料,LSM,（锰酸镧）,Co,基材料 钴酸镧,Fe,基，,Cu,基材料,钙钛矿结构氧化物,Ru,氧化物,其他阴极材料,阴极材料,固体氧化物电解质,是最有希望的,SOFC,电解质材料。但材料制备，低温烧结，薄膜化难度大。,低温下具有很高的离子电导，合成温度低，易于烧成致密陶瓷，对减小电池内阻和制作然来哦电池十分有利,主要有两种掺杂类型：,1,以碱金属氧化物和稀土金属氧化物为代表的单掺杂,2,双稀土氧化物或者碱金属氧化物与稀土氧化物混合掺杂,一是以,Y2O3,为代表的稀土金属氧化物,二是以,CaO,为代表的碱金属氧化物,ZrO2,基固体电解质,CeO2,基电解质,LaGaO3,基电解质,Bi2O3,基电解质,固体氧化物燃料电池组,单体燃料电池只能产生1V左右的电压，期功率是有限的，为了获取大功率SOFC，必须将若干个单电池以多种方式（串联，并联，混联）组装恒电池组，目前重要发展了管式构造和平板式构造两种形式。此外尚有整体式和分段式。,管状构造SOFC,管状构造SOFC是最早发展的一种形式，单电池由一端封闭、一端开口的管子构成，最内层 不过多孔支撑管，由里向外依次是阴极、电解质和阳极薄膜。氧气从管芯输入，燃料电池通过管子外壁供应。目前管状构造单电池已经运行了数万小时。单电池通过阴、阳极间连接成电池堆，阳极与连接体相连接形成串联，阳极与阳极相连接形成并联。管状构造式目前较为成熟的一种形式。,平板式构造SOFC电池堆,平板式构造SOFC近几年才引起了人们的关注，这种集合形状简朴的设计使其制作工艺大为简化。平板式SOFC由阳极、电解质、阴极薄膜构成单体电池，两边带槽的来接替连接相邻阴极和阳极，并在两侧提供气体通道，同步隔开两种气体。目前平板式SOFC也在进行千瓦量集电池度的试验。,平板式构造电池堆中，电池串联连接，电流依次通过各薄层，途径短，内阻欧姆损失小，能量密度高，构造灵活，气体流通方式多，组元分开设备，工业简便，组元分别组装，电池质量易于控制，电解质薄膜话，可以减少工作温度（700-800），从而可以采用金属连接体。目前的难点是实现气体密封，采用陶瓷-玻璃压缩封闭，一导致层间裂纹，连接处电阻高，损失大。,陶瓷燃料电池单片,平板型中温固体氧化物染料电池 大面积样机支撑复合膜实现小批量生产，上硅所,易贝硅谷总部安装的两台昂贵的,Bloom Energy,设备。,德国企业展出实用水平燃料电池,氧化物燃料电池的应用,据美国物理学家组织网11月17日报道，美国哈佛大学的科学家近来汇报了其在固体氧化物燃料电池（SOFCs）领域获得的两项进展：其一是电池中不再使用铂材料；其二是将电池的运行温度减少至300摄氏度到500摄氏度之间。研究人员表达，基于SOFCs在更低的操作温度、更丰富的燃料来源以及更廉价的材料方面获得的进步，SOFCs也许很快成为一项主流技术，未来将能给手提电脑或手机供电。,福特福克斯燃料电池汽车示意图,燃料电池的众多长处吸引了广大的科技人员，各国都投入了大量的财力、人力来研制新型的燃料电池。目前，国外正在试运行100千瓦级第二代燃料电池发电站。日本已设计出用于旅馆、办公楼的50-500千瓦的现场试验室，可供空调、照明等用电，发电效率为30%-40%，再加上余热的运用，总效率可达60%-80%。可见，燃料电池的应用面广，前景看好,首款大型薄膜固体氧化物燃料电池问世,5月25日的报道：美国哈佛大学（Harvard）工程与应用科学学院（SEAS：School of Engineering and Applied Sciences）以及西能系统有限责任企业（SiEnergy Systems LLC）的材料科学家已演示了第一款宏观尺度的薄膜固体氧化物燃料电池（SOFC：solid-oxide fuel cell）。,微小金属蜂窝提供了关键的构造性原因，也用作集电器，制成的膜芯片5毫米宽，要把几百个这样的芯片集成到手掌大小的固体氧化物燃料电池硅片上。,(1)较高的电流密度和功率密度；,(2)阳、阴极极化可忽视，彼化损失集中在电解质内阻降；,(3)可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；,(4)防止了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；,(5)能提供高质余热，实现热电联产，燃料运用率高，能量运用率高达80%左右，是一种清洁高效的能源系统；,(6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态构造；,(7)陶瓷电解质规定中、高温运行(6001000)，加紧了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备,氧化物染料电池的长处,氧化物染料电池存在的问题,单电池材料,单电池重要由阴极、电解质和阳极构成。老式的阴极材料是钙钛矿构造(ABO3)的LaxSr1-xMnO3(LSM)。除Sr以外，对其他A或B位置的掺杂元素也有广泛的研究。在中低温状况下，此类材料体现出电化学活性局限性、电阻过高、缺乏离子导电性以及也许与电解质材料反应生成高电阻相等缺陷。目前，研究者们正在寻找其他具有钙钛矿构造的材料以取代LSM。另一种值得研究的方向是考虑采用贵金属，如Pd，作为阴极材料。Pd是一种很好的氧化还原催化材料。不过，由于成本的原因，这方面的研究较钙钛矿阴极材料要少得多。,电池堆材料,这里所说的电池堆材料是指电堆中除单电池以外的材料，重要包括连接体材料、密封材料和界面材料。,当SOFC在1000高温工作时，连接体材料是Sr或其他元素掺杂的LaCrO3。对于目前正致力于开发的平板式SOFC，金属材料是研究者们首先考虑的对象。连接体对金属材料的一般规定是抗氧化性、导电性、高温机械强度、热膨胀系数匹配以及与相接触材料之间的化学相容性等等。含Cr的铁素体不锈钢是最有但愿的材料，然而，为了满足连接体功能的规定，其抗氧化性和氧化后的导电性尚有待提高。,谢谢欣赏,Goodbye,