1、固體氧化物染料電池 固體氧化物燃料電池分解第1頁內容介紹發展歷史固體氧化物燃料電池介紹電池工作原理電池組成應用優缺點固體氧化物燃料電池分解第2頁固體氧化物燃料電池發展二十世紀80年代以后，美國西屋用擠出成型方法制備多孔氧化鋁或復合氧化鋯支撐管，然后采取電化學氣象沉積方法制備厚度在幾十到100m電解質和電極薄膜。1987年，該企業在日本安裝25kw級發電和余熱供暖SOFC系統，到1997年3月成功運行了1.3萬小時。1997年12月，西門西屋企業在荷蘭安裝了第一組100kw管狀SOFC系統，截止到底關閉，累計工作了16612小時，能量效率為46%，年5月，西門西屋又與加州大學合作，在加州安裝了一

2、套220kwSOFC與氣體渦輪機聯動發電系統，當前取得能量轉化效率為58%，預測有望到達70%。固體氧化物燃料電池分解第3頁加拿大環球熱電企業，美國GE等企業在開發平板型SOFC上取得進展，當前正在對千瓦級模塊進行試運行。環球熱電企業取得功率密度，在700運行時，到達0.723W/cm2。6月，完成了1135kw電池系統運行1100小時試驗日本工業技術院電子技術綜合研究所在1984年進行了500w發電試驗，輸出最大功率為1.2kw，1992年開始，富士電機綜合研究所和三洋電機共同研究，并在9月11日實現了功率輸出為15kw平板式SOFC連續運行1000小時無衰減。固體氧化物燃料電池分解第4頁在

3、汽車應用領域，SOFC發展也很活躍，飛馳汽車制造企業1996年對2.2kw級模塊試運行達6000小時。2月16日，由BMW與Delphi Automotive Systems Corporation合作近兩年研制第一輛由SOFC作為輔助電源系統汽車在慕尼黑問世，作為第一代SOFC/APU 系統，其功率為3KW，電壓輸出為21KV，其燃料消耗比傳統汽車降低46%固體氧化物燃料電池分解第5頁固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一個在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中化學能高效、環境友好地轉化成電能全固態化學發電裝置。被普遍認為是在未來

4、會與質子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應用一個燃料電池。固體氧化物燃料電池分解第6頁氧離子電導燃料電池化學反應示意圖固體氧化物燃料電池分解第7頁和普通染料電池一樣，SOFC也是把反應物化學能直接轉化為電能電化學裝置，只不過工作溫度較高，普通在8001000，由陽極、陰極及兩級間電解質組成。在陽極一側連續通入燃料氣，如 H2，CH4、，煤氣等，含有催化作用陽極表面吸附氣體比如氫，并經過陽極多空結構擴散到陽極與電解質界面，在陰極一側連續通入氧氣或空氣，含有多孔結構陰極表面吸附氧，因為陰極本身催化作用，使得O2得到電子變為O2-進入起電解質作用固體離子導體，因為濃度梯度引發擴散，最終抵

5、達固體電解質與陽極界面，與燃料氣體發生反應，失去電子經過外電路回到陰極。SOFC工作原理固體氧化物燃料電池分解第8頁SOFC結構SOFC陽極（anode）陰極（cathode）固體電解質（solidelectrolyte）互連接（interconnector）固體氧化物燃料電池分解第9頁10固體氧化物燃料電池分解第10頁金屬Pb, Pt，Rh金屬陶瓷Pt-SSZ金屬及金屬陶瓷Mn基材料 LSM（錳酸鑭）Co基材料 鈷酸鑭Fe基，Cu基材料鈣鈦礦結構氧化物Ru氧化物其它陰極材料陰極材料固體氧化物燃料電池分解第11頁固體氧化物電解質是最有希望SOFC電解質材料。但材料制備，低溫燒結，薄膜化難度大。

6、低溫下含有很高離子電導，合成溫度低，易于燒成致密陶瓷，對減小電池內阻和制作然來哦電池十分有利主要有兩種摻雜類型：1以堿金屬氧化物和稀土金屬氧化物為代表單摻雜 2雙稀土氧化物或者堿金屬氧化物與稀土氧化物混合摻雜一是以Y2O3為代表稀土金屬氧化物二是以CaO為代表堿金屬氧化物ZrO2基固體電解質CeO2基電解質LaGaO3基電解質Bi2O3基電解質固體氧化物燃料電池分解第12頁固體氧化物燃料電池組單體燃料電池只能產生1V左右電壓，期功率是有限，為了獲取大功率SOFC，必須將若干個單電池以各種方式（串聯，并聯，混聯）組裝恒電池組，當前主要發展了管式結構和平板式結構兩種形式。另外還有整體式和分段式。固

7、體氧化物燃料電池分解第13頁管狀結構SOFC管狀結構SOFC是最早發展一個形式，單電池由一端封閉、一端開口管子組成，最內層 不過多孔支撐管，由里向外依次是陰極、電解質和陽極薄膜。氧氣從管芯輸入，燃料電池經過管子外壁供給。當前管狀結構單電池已經運行了數萬小時。單電池經過陰、陽極間連接成電池堆，陽極與連接體相連接形成串聯，陽極與陽極相連接形成并聯。管狀結構式當前較為成熟一個形式。固體氧化物燃料電池分解第14頁固體氧化物燃料電池分解第15頁平板式結構SOFC電池堆平板式結構SOFC近幾年才引發了人們關注，這種集合形狀簡單設計使其制作工藝大為簡化。平板式SOFC由陽極、電解質、陰極薄膜組成單體電池，兩

8、邊帶槽來接替連接相鄰陰極和陽極，并在兩側提供氣體通道，同時隔開兩種氣體。當前平板式SOFC也在進行千瓦量集電池度試驗。平板式結構電池堆中，電池串聯連接，電流依次經過各薄層，路徑短，內阻歐姆損失小，能量密度高，結構靈活，氣體流通方式多，組元分開設備，工業簡便，組元分別組裝，電池質量易于控制，電解質薄膜話，能夠降低工作溫度（700-800），從而能夠采取金屬連接體。當前難點是實現氣體密封，采取陶瓷-玻璃壓縮封閉，一造成層間裂紋，連接處電阻高，損失大。固體氧化物燃料電池分解第16頁固體氧化物燃料電池分解第17頁陶瓷燃料電池單片平板型中溫固體氧化物染料電池 大面積樣機支撐復合膜實現小批量生產，上硅所易

9、貝硅谷總部安裝兩臺昂貴Bloom Energy設備。德國企業展出實用水平燃料電池氧化物燃料電池應用固體氧化物燃料電池分解第18頁據美國物理學家組織網11月17日報道，美國哈佛大學科學家最近匯報了其在固體氧化物燃料電池（SOFCs）領域取得兩項進展：其一是電池中不再使用鉑材料；其二是將電池運行溫度降低至300攝氏度到500攝氏度之間。研究人員表示，基于SOFCs在更低操作溫度、更豐富燃料起源以及更廉價材料方面取得進步，SOFCs可能很快成為一項主流技術，未來將能給手提電腦或手機供電。福特?？怂谷剂想姵仄囀疽鈭D燃料電池眾多優點吸引了廣大科技人員，各國都投入了大量財力、人力來研制新型燃料電池。當前

10、，國外正在試運行100千瓦級第二代燃料電池發電站。日本已設計出用于旅館、辦公樓50-500千瓦現場試驗室，可供空調、照明等用電，發電效率為30%-40%，再加上余熱利用，總效率可達60%-80%?？梢姡剂想姵貞妹鎻V，前景看好固體氧化物燃料電池分解第19頁首款大型薄膜固體氧化物燃料電池問世5月25日報道：美國哈佛大學（Harvard）工程與應用科學學院（SEAS：School of Engineering and Applied Sciences）以及西能系統有限責任企業（SiEnergy Systems LLC）材料科學家已演示了第一款宏觀尺度薄膜固體氧化物燃料電池（SOFC：solid-

11、oxide fuel cell）。微小金屬蜂窩提供了關鍵結構性原因，也用作集電器，制成膜芯片5毫米寬，要把幾百個這么芯片集成到手掌大小固體氧化物燃料電池硅片上。固體氧化物燃料電池分解第20頁(1)較高電流密度和功率密度；(2)陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質內阻降；(3)可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而無須使用貴金屬作催化劑；(4)防止了中、低溫燃料電池酸堿電解質或熔鹽電解質腐蝕及封接問題；(5)能提供高質余熱，實現熱電聯產，燃料利用率高，能量利用率高達80%左右，是一個清潔高效能源系統；(6)廣泛采取陶瓷材料作電解質、陰極和陽極，含有全固態結構；(7)陶瓷電解質要求中、

12、高溫運行(6001000)，加緊了電池反應進行，還能夠實現各種碳氫燃料氣體內部還原，簡化了設備氧化物染料電池優點固體氧化物燃料電池分解第21頁氧化物染料電池存在問題單電池材料 單電池主要由陰極、電解質和陽極組成。傳統陰極材料是鈣鈦礦結構(ABO3)LaxSr1-xMnO3 (LSM)。除Sr以外，對其它A或B位置摻雜元素也有廣泛研究。在中低溫情況下，這類材料表現出電化學活性不足、電阻過高、缺乏離子導電性以及可能與電解質材料反應生成高電阻相等缺點。當前，研究者們正在尋找其它含有鈣鈦礦結構材料以取代LSM。另一個值得研究方向是考慮采取貴金屬，如Pd，作為陰極材料。Pd是一個很好氧化還原催化材料。不過，因為成本原因，這方面研究較鈣鈦礦陰極材料要少得多。固體氧化物燃料電池分解第22頁電池堆材料這里所說電池堆材料是指電堆中除單電池以外材料，主要包含連接體材料、密封材料和界面材料。 當SOFC在1000高溫工作時，連接體材料是Sr