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,*,第九章 固体氧化物燃料电池（,SOFC,）,第一节 概述,一、电池的工作原理,固体氧化物燃料电池电化学反应过程示意图,固体氧化物燃料电池工作原理图,1,简单的,SOFC,由阴极、阳极、电解质和用电器所组成。氧,分子在空气极得到电子，被还原成氧离子,O,2-,，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）通过电解质（固态）传输到阳极，并在阳极同燃料发生，生成水和电子，电子通过外电路的用电器做功，并形成回路。,阴极反应,：,O,2,+4e,2O,2-,阳极反应,：,H,2,(g)+O,2-,H,2,O(g)+2e,总反应,：,2H,2,+O,2,2H,2,O,2,同其他燃料电池的区别：,热损失在,SOFC,中可以得到有效的利用：一是这些热量保证了,SOFC,在高温下运行；二是高温热量可以有效的利用，如蒸汽发电等；,SOFC,可以直接使用任何可燃物质作为燃料。,二、,SOFC,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。,管型,SOFC,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。,平板型,SOFC,的空气电极,/YSZ,固体电解质,/,燃料电极烧结成一体，组成“三合一”结构（,PEN,）。,3,4,SOFC,的优点,：,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；,对燃料的适应性强；,能量转换效率高；,不需要使用贵金属催化剂；,低排放，低噪声；,规模和安装地点灵活。,5,三、,SOFC,的国内外研究与开发现状,管型,SOFC,是目前最接近商业化的,SOFC,发电技术。西,门子,-,西屋动力公司（,SWPC,）；,日本的,Kansai,电力公司的管型,SOFC,已经进行了,10529h,的高电流密度放电试验；,加拿大的,Global,热电公司在中温平板型,SOFC,研发领域具有举足轻重的地位；,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,SOFC,的研发。,6,四、,SOFC,的应用,7,第二节,SOFC,电解质材料,固体电解质是,SOFC,最核心的部件。,电解质必须具备以下条件,：,高的离子电导率和可以忽略的电子电导率；,在氧化和还原气氛中具有良好的稳定性；,能够形成致密的薄膜；,足够的机械强度和较低的价格等。,8,电解质材料,氧化钇稳定立方氧化锆（,YSZ,）,氧化钪稳定立方氧化锆（,SSZ,）,钙钛矿结构的镓酸镧基氧化物,掺杂立方氧化铈（,DCO,）,高温,SOFC,（,8001000,）,中温,SOFC,（,600800,）,低温,SOFCE,（,600,以下）,9,电解质,优点,不足之处,YSZ,在氧化和还原气氛下稳定性良好；机械性能良好；寿命可达,4,万小时以上；稳定可靠的原材料供给,氧离子电导率低；与部分阴极材料不相容,掺杂氧化铈,与阴极材料相容；在低氧分压下为混合电子、氧离子导体，适合做阳极材料,低氧分压下具有电子导电性，开路电压低；机械性能比,YSZ,低,LSGM,与阴极相容,低氧分压下,Ga,挥发；与,NiO,不相容；机械性能与,DOC,相当,SSZ,在氧化和还原气氛下稳定性良好,Sc,昂贵，来源受限制,SOFC,主要电解质的优越性和不足之处,10,一、氧化钇稳定的氧化锆（氟化钙晶体结构）,氧化锆有三种变体：,单斜相（,M,），稳定温度为,1100,；,四方相（,T,），稳定温度为,11002300,；,立方相（,C,），高温稳定相，熔点是,2715,。,单斜结构,四方结构,面心立方结构,1170,2370,11,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,氧空位,，氧空位浓度由掺杂量确定。,氧离子电导率为,：,=nq,n,：可移动氧空位浓度；,：氧空位迁移率；,q,：氧空位带电量。,V,O,：可移动氧空位分数。,E,：导电活化能,12,YSZ,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，掺杂量随离子尺寸增大而减小。,13,在,ZrO,2,-M,2,O,3,体系中，,1000,时最大电导率、,电导率最大时,M,2,O,3,含量与,M,3+,离子半径的关系,14,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；,低温时：,E=,E,m,+E,a,E,m,:,迁移焓,高温时：氧空位浓度等于,3,价掺杂氧化物浓度。,缔合能随掺杂离子半径的增加而减小。,E,a,：缔合能,掺杂氧化锆的电导率、移动活化能、,缔合活化能与掺杂离子半径的关系,15,氧化钇稳定氧化锆的性质：,YSZ,表现出高稳定性和与其他组元间良好相容性；,纯,ZrO,2,不导电，,8%9%,（,摩尔分数）,Y,2,O,3,全稳定,YSZ,表现出最大电导率；,YSZ,材料力学性能一般，且随温度升高而明显衰减。,ZrO,2,系统中，低,Y,2,O,3,含量（,2%3%,）时具有四方相稳定结构（,Y-TZP,），室温和高温下都表现出很好的力学性能，在,600,以下时，电导率比,YSZ,高。,加入,Al,2,O,3,可提高,YSZ,基体力学性能，且电导率得以提高或至少不降低。,16,二、掺杂氧化铈,DCO,的电导率平均比,YSZ,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。,纯氧化铈从室温到熔点温度都是立方萤石结构，,N,型半导体。,温度和氧压力变化时，可形成具有氧缺位型结构的,CeO,2-,。,LaNdSm,。,1000T/K,-1,Ca,掺杂,LnGaO,3,的电导率,温度,/,log,/(S/cm),22,在,LaGaO,3,的,A,位掺入碱土金属会明显提高电导率，其中,Sr,掺杂的电导率最高。,B,位掺杂,Mg,也可以提高电导率，掺杂量可达到,20%,。,电导率最高的组分为,La,0.8,Sr,0.2,Ga,0.8,Mg,0.2,O,3,(LSGM),。,23,LSGM,的缺点,：,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。,与,Ni,电极之间能够发生反应；,在,1000,的还原性气氛下，,Ga,的挥发导致电解质分解。,机械强度低，,Ga,价格高。,LSGM,电解质只适用于在,800,以下工作。,24,