燃料电池_3-6_固体氧化物燃料电池资料.ppt

固体氧化物燃料电池（ Solid oxide fuel cell----- SOFC ）;燃料电池分类;;1899 年，Nernst发明了固体氧化物电解质而宣告开始 1937年，Baur 和Preis制造了第一个在1000℃下运行的 陶瓷燃料电池 1962 年美国的Weissbart 和Ruka首次用甲烷作燃料, 为 SOFC 的发展奠定了基础 1986年, 400W管式SOFC 电池组在田纳西洲运行成功 1989 年又在日本东京、大阪煤气公司各安装了3kW级 列管式SOFC发电机组, 成功连续运行长达5000h, 这标志着SOFC 研究从实验室规模向商业化发展又迈近了一步;我国硅酸盐固体氧化物燃料电池取得突破;1. SOFC工作原理;优点： 能量转换效率高 固态电解质对硫污染的具有较高的耐受性更稳定 无污染，可实现零排放 全固态，无液态电极腐蚀和电解质液渗漏等问题 高温操作, 余热利用率高 不需要贵金属催化剂 ;2. SOFC的结构;2.1 阳极;SOFC阳极材料的基本要求： （1）稳定性 在燃料气氛中，阳极材料必须在化学性质、形貌和尺度上保持稳定。 （2）电导率 阳极材料在还原气氛中要具有足够高的电子导电率，以降低阳极的欧姆极化，同时还具备高的氧离子导电率，以实现电极立体化。 （3）相容性 阳极材料与相接触的其它电池材料必须在室温至制备温度范围内化学上相容。;（4）热膨胀系数 阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系数相匹配。 （5）孔隙率 阳极必须具有足够高的孔隙率，以确保燃料的供应及反应产物的排出。 （6）催化活性 阳极材料必须对燃料的电化学氧化反应具有足够高的催化活性。 （7）阳极还必须具有强度高、韧性好、加工容易、成本低的特点。 ;阳极材料及性能;（1）Ni-YSZ 金属陶瓷阳极的制备 管式SOFC通常采用化学气相沉积-浆料涂覆法制备Ni-YSZ阳极； 电解质自支撑平行板SOFC的阳极制备可采用丝网印刷、溅射、喷涂等多种方法 电极负载型平板型SOFC的阳极制备一般采用轧膜、流延等方法。;;;（3）金属陶瓷的稳定性 Ni和YSZ在还原气氛中均具有较高的化学稳定性，在1000℃以下几乎不与电解质YSZ及连接材料LaCrO3发生反应。 在室温至SOFC操作温度范围内无相变产生。 ;（4） Ni-YSZ金属陶瓷的导电性 Ni-YSZ金属陶瓷阳极的导电率和其中的Ni含量密切相关。 当Ni的比例低于30％时Ni-YSZ金属陶瓷的导电性能与YSZ相似，说明此时通过YSZ相的离子导电占主导地位 当Ni的含量高于30％时，由于Ni粒子互相连接构成电子导电通道，使Ni-YSZ复合物的电导率增大三个数量级以上，说明此时Ni金属的电子电导在整个复合物电导中占主导地位;（５） Ni-YSZ复合金属陶瓷阳极的热膨胀 　 Ni-YSZ阳极的热膨胀系数随组成不同而发生改变。 随着Ni含量的增加， Ni-YSZ的热膨胀系数增大。 严重的热膨胀系数不匹配会在电池内部引起较大的应力，造成电池组件的碎裂和分层剥离。可通过在电解质中掺入添加剂的方法降低应力。 ;（二）Ni-SDC金属陶瓷阳极 　　和YSZ相比，由于SDC(Ni-Sm2O3 掺杂的CeO2)具有较高的离子电导率，且在还原气氛中会产生一定的电子电导，因此，将SDC等掺入到阳极催化剂Ni中，可以使电极上发生电化学反应的三相界得以向电极内部扩展，从而提高电极的反应活性。 　　NiO-SDC复合材料的制备可以采用机械复合法，即将ＮｉＯ和ＳＤＣ粉料混合后进行球磨，用量少时，用玛瑙研钵进行研磨。　;2.2 阴极 阴极的作用是为氧化剂的还原提供场所 阴极材料必须在氧化气氛下保持稳定 在SOFC操作条件下具有足够高的电子导电率 对氧气还原反应的催化活性 ;SOFC中阴极材料的基本要求：;（４）相容性　阴极材料必须在SOFC制备和操作温度下与电解质材料、连接材料或双极板材料与密封材料化学上相容。 （５）热膨胀系数　阴极必须在室温至SOFC操作温度，乃至更高的制备温度范围内与其他电池材料热膨胀系数相匹配。 （６）多孔性　 SOFC的阴极必须具有足够的孔隙率，以确保活性位上氧气的供应。;阴极材料及性能;（１）LSM粉体的合成 　　　固相反应法的过程：首先将各种氧化物按化学计量比混合均匀，然后在高温下焙烧足够的时间，研磨后制的LSM粉末。 　　　液相反应法的过程：首先按化学计量比配制La(NO3)3·6H2O﹑ Sr(NO3)2和Mn(NO3)2的混合溶液，然后往混合溶液中加入柠檬酸和聚乙烯醇；将溶液中的水分蒸发至形成透明的无定形树脂；继续加热使树脂分解即可制成复合氧化物LSM的前躯体；将前躯体在一定的温度下焙烧，即可制的具有钙钛矿结构的LSM超细粉。;（２） LSM的结构　 ;（３）