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时间:2020-09-30
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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,
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