固体氧化物燃料电池()

由 范文之家 分享时间：2022-11-19 16:53:02 加入收藏我要投稿点赞

固体氧化物燃料电池()

7.5.1 SOFC的研究简况

最早开展SOFC(图7-5)研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所，他们在1971年就开展了SOFC的研究，主要侧重于SOFC电极材料和电解质材料的研究。20世纪80年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了SOFC的研究，系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SOFC结构等，已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。吉林大学于1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SOFC的电解质、阳极和阴极材料等进行研究，组装成单体电池，通过了吉林省科委的鉴定。1995年获吉林省计委和国家计委450万元人民币的资助，先后研究了电极、电解质、密封和联结材料等，单体电池开路电压达1.18V，电流密度为400m A/cm2，4个单体电池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。

1991年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了SOFC的研究，从研制材料着手，制成了管式和平板式的单体电池，功率密度达0.09～0.12W/cm2，电流密度为150～180m A/cm2，工作电压为0.60～0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20～30W块状叠层式SOFC电池组，电池寿命达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国Westinghouse管式结构和德国Siemens板式结构的基础上，设计了六面体式新型结构，该结构吸收了管式不密封的优点，电池间组合采用金属毡柔性联结，并可用常规陶瓷制备工艺制作。

中国科学技术大学于1982年开始从事固体电解质和混合导体的研究，于1992年在国家自然科学基金会和“863”计划的资助下开始了中温SOFC的研究。一种是用纳米氧化锆作电解质的SOFC，工作温度约为450℃。另一种是用新型的质子导体作电解质的SOFC，已获得接近理论电动势的开路电压和200m A/cm2的电流密度。此外，他们正在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代SOFC。清华大学在20世纪90年代初开展了SOFC的研究，他们利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、空气电极、燃料电极和中间联结电极材料的超细粉，并开展了平板型SOFC成形和烧结技术的研究，取得了良好效果。

图7-5 SOFC燃料电池

华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SOFC的研究，组装的管状单体电池用甲烷直接作燃料，最大输出功率为4m W/cm2，电流密度为17m A/cm2，连续运转140h，电池性能无明显衰减。

中国科学院山西煤炭化学研究所在1994年开始SOFC研究，用超细氧化锆粉在1100℃下烧结制成稳定和致密的氧化锆电解质。该所从20世纪80年代初开始煤气化热解的研究，以提供燃料电池的气源。煤的灰熔聚气化过程已进入工业性试验阶段，正在镇江市建立工业示范装置。该所还开展了使煤气化热解的煤气在高温下脱硫除尘和甲醇脱氢生产合成气的研究，合成气中CO和H2的比例为1∶2，已有成套装置出售。

中国科学院大连化学物理所于1994年开展了SOFC的研究工作，在电极和电解质材料的研究上取得了可喜的进展。中国科学院北京物理所于1995年在国家自然科学基金会的资助下，开展了用于SOFC的新型电解质和电极材料的基础性研究。

7.5.2 SOFC的工作原理

SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用Zr O2(二氧化锆)，它构成了O2-的导电体，Y2O3(氧化钇)作为稳定化的YSZ(稳定化氧化锆)而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用La Mn O3(氧化镧锰)，隔板采用La Cr O3(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板形外，还开发出了为避免应力集中的圆筒形。SOFC的化学反应式如下:

燃料极

H2+1/2O2-—→H2O+2e-　(7-7)

空气极

1/2O2+2e-—→O2-　(7-8)

全反应

H2+1/2O2—→H2O (7-9)

燃料极，H2经电解质而移动，与O2-反应生成H2O和e-。空气极，由O2和e-生成O2-。全反应同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成分CH4改质成H2加以利用，并且煤气的主要成分CO可以直接作为燃料利用。