固体氧化物燃料电池ppt课件.ppt

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1、电源工艺学化工与环境学院孙旺办公室：5号教学楼520电话：68918696上节内容PAFC电池原理及特点MCFC原理及特点4.1燃料电池概述4.2碱性燃料电池4.3磷酸盐燃料电池（PAFC）4.4碳酸熔融盐电池(MCFC)4燃料电池4.5固体氧化物燃料电池4.6质子交换膜燃料电池4.7直接甲醇燃料电池4.8其他燃料电池4.5.1SOFC概述4.5.2SOFC电解质4.5.3SOFC阳极4.5.4SOFC阴极4.5.5SOFC密封材料及连接体4.5.6SOFC电池制备4.5.7SOFC应用前景4.5SOFC（SolidOx

2、ideFuelCell)4.5.1SOFC概述1890年，Nernst发现ZrO2在600-1000℃传导离子1930年，Baur和Preis进行了小型氧化锆燃料电池，Fe或C阳极，Fe3O4阴极。1950年，压制或流延制备薄膜电解质1970年，氧化锆传感器用在汽车尾气检测中，推动了SOFC的发展。SOFC初发展4.5.1SOFC概述SOFC原理SOFC特点全固态结构：无腐蚀和漏液问题工作温度：650~1000℃，具有高的余热利用价值，效率高燃料广：氢气、碳氢燃料、水煤气等无需贵金属催化剂：Ni阳极、钙钛矿阴极材料大规模

3、生产有可能降低成本2.3.1SOFC概述平板式SOFCSOFC结构SOFC组成单元截面示意图管式SOFC扁管式SOFCSOFC概述支撑形式阴极阳极电解质阳极支撑型电解质支撑型阴极支撑型阳极厚度阴极厚度电解质厚度工作温度阳极支撑型~0.5-2毫米~100微米~10微米≤800℃阴极支撑型~100微米~1-2毫米~10微米≥850℃电解质支撑型~100微米~100微米~150微米1000℃SOFC三种电池构型的对比低温SOFC：550-750℃中温SOFC：750~850℃高温SOFC：850~1000℃工作温度分类4.5.

4、2SOFC电解质电解质(SOFC最核心部件）条件：SOFC组成：电解质、阳极、阴极、连接体、密封材料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。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（800~1000℃）中温SOFC（650~800℃）低温SOFCE（650℃以下）4.5.2SOFC电解质SOFC电解质材料氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)（立方萤石结构）ZrO2有

5、三种变体：单斜相（M），稳定温度为<1100℃；四方相（T），稳定温度为1100~2300℃；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℃4.5.2SOFC电解质SOFC电解质——YSZ氧离子电导率为：σ=nqμn：可移动氧空位浓度；μ：氧空位迁移率；q：氧空位带电量。[VO]：可移动氧空位分数。E：导电活化能A：指前因子加入氧化钇稳定剂，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。4.5.2SOFC电解质氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)YSZ的电导率与

6、Y2O3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。4.5.2SOFC电解质氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)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；YSZ的性质YSZ表现出高稳定性和与其他组元间良好相容性；纯ZrO2不导电，8%~9%（摩尔分数）Y2O3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。ZrO2系统中，低Y2O3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℃

7、以下时，电导率比YSZ高。加入Al2O3可提高YSZ基体力学性能，且电导率得以提高或至少不降低。氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)4.5.2SOFC电解质温度和氧压力变化时，可形成具有氧缺位型结构的CeO2-δ。δ<10-3，主要离子缺陷是二价氧离子空位；δ=0.3，主要离子缺陷是二价向一价过渡的价态空位。掺杂CeO2的电解质材料特别适合直接用甲烷气的SOFC中。4.5.2SOFC电解质掺杂的CeO2电解质纯氧化铈：立方萤石结构，N型半导体；CO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。掺杂Ce

8、O2电解质的性质Ce4+向Ce3+的转变产生于低氧分压区，有明显的电子电导出现；杂质的引入可以限制CeO2在还原气氛中还原；在CeO2固溶体外包裹一层稳定的离子导电薄膜如YSZ可限制其还原；CeO2的电导率随着掺杂元素的离子大小、价态和掺杂量的变化而变化。4.5.2SOFC电解质掺杂的CeO2电解质随着温度的降低，电