ch3 燃料电池4-─固体氧化物燃料电池ppt课件.ppt

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1、燃料电池王志成─固体氧化物燃料电池SOFC结构与工作原理SOFC发展概况与趋势SOFC关键材料SOFC存在的问题与解决思路1.1SOFC基本结构固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)采用了陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，全固态结构，除具有一般燃料电池系统的特点外，它的燃料无需是纯氢，可以采用其他可燃的碳氢气体；同时，SOFC不必使用贵金属催化剂。陶瓷电解质要求较高温运行（600～1000℃）。单体燃料电池主要组成部分由电解质（electrolyte）、阳极或燃料极（anode，fuelelectrode）、阴极或空气极

2、（cathode，airelectrode）和连接体（interconnect）或双极分离器（bipolarseparator）组成。1.SOFC结构与工作原理1.1.1管型SOFC平板式结构固体氧化物燃料：(a)单体电池；(b)电池组平板型SOFC的空气/固体电解质/燃料电极烧结成一体，组成“三合一”结构，其间用开设导气沟槽的双极板连接，使其间相互串联构成电池组。1.1.2管型SOFC管式结构固体氧化物燃料：(a)单体电池；(b)电池组管式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。每个单电池由内到外由多孔支撑管、空气电极、固

3、体电解质薄膜和金属陶瓷阳极组成。1.2工作原理电解质具有较高的离子电导率SOFC电池的基础，用于SOFC的电解质有两类，即氧离子导电电解质和氢离子（质子）导电电解质，则SOFC分为两类：氧离子导电电解质燃料电池和质子导电电解质燃料电池。氢离子传导SOFC电池反应如下：阳极：阴极：总反应：氧离子传导SOFC电池反应如下：阴极：阳极：总反应：1.3等效电路阳极极化电阻Ra阴极极化电阻Rc电池欧姆电阻Rohm静电电容C负载电阻R单电池电流I在有电流输出的情况下，端电压由下式决定：式中，ET为开路电位IRohm为电池的欧姆降，ηa，ηc分别为阳极与阴极的

4、过电位，由电极反应决定。2.SOFC发展概况SOFC的开发研究早在20世纪40年代就开始了，当时受到材料加工手段和技术复杂性的限制，并没有得到很大的发展。但是到了80年代以后，由于能源的紧缺，很多国家为了开辟新的能源，对SOFC的开发和研究都非常的重视，日本、美国和欧盟等都纷纷进行了大量的投资。2.1国际发展概况1960年以美国WestinghouseElectricCompany为代表，研制了圆筒式结构的SOFC。1987年，该公司与日本东京煤气公司、大阪煤气公司合作，开发出3kW电池模块，成功地连续运行了5000h，标志着SOFC研究从实验研

5、究向商业发展。进入90年代DOE机构继续投资给西屋电气公司6400余万美元，旨在开发出高转化率、2MW级的SOFC发电机组。1997年12月，SiemensWestinghouseElectricCompany在荷兰的Wertervoort安装了第一组100kW的管状SOFC系统。2000年5月，该公司与加州大学合作，安装了第一套250kW的SOFC与气体涡轮机联动的发电系统，能量转化效率为58%，有望达到70%。目前，SiemensWestinghouse宣布有两座250kW的SOFC示范电厂很快将在挪威和加拿大的多伦多附近建成。在平板式SOF

6、C的研究方面，加拿大的GlobalThermoelectricInc.、美国的GE公司、SOFCComp.、Ztek等公司对1kW模块进行了开发，GlobalThermoelectricInc.获得了很高的功率密度，在700℃运行时，达到0.723W/cm2，2000年6月，完成了1.35kW电池系统运行1100h的试验。澳大利亚的CeramicFuelCellLtd．公司致力于开发圆形平板状SOFC发电堆。工作温度为850℃，压力为常压，在80％~85％的燃料利用率下提供数十千瓦的发电堆。在2005年对40kW级电池堆进行了实地测试，而在200

7、6年试制了大于120kW的发电堆。德国和瑞士也在积极开发10kW级和1kW级家庭用燃料电池模块。目前国际上SOFC研发的主流是降低SOFC工作温度和新材料的开发。加拿大的Global热电公司在中温SOFC研发领域具有举足轻重的低位，该公司的研发方向为平板式SOFC，主要是面向分散供电和家庭热电联供市场。与国外商业化应用相比，我国国内的技术水平还相对落后。目前的重点和难点在于材料制备问题，要获得性能优良、稳定可靠、价格低廉的各种组元材料，实现彼此间复合匹配，完成电池组组装工作等。中国科学院上海硅酸盐研究所在“九五”期间曾组装了800W的平板高温SO

8、FC电池组。中国科学院大连化学物理所在中温SOFC研究方面取得了重大进展，2003年8月，该所成功组装并运行了由12对电池组成的电池组，