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固体氧化物燃料电池(SOFC)

(2016-07-04 23:01:14)
标签:

sofc

固体氧化物燃料电池

二氧化锆

氧化钇

氧化镧锰

分类: 电气工程

(一)SOFC的研究简况

最早开展SOFC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400mA/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0.090.12W/cm2,电流密度为150180mA/cm2,工作电压为0.600.65V1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了2030W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,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200mA/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

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4mW/cm2,电流密度为17mA/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COH2的比例为12,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

(二)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ZrO2(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 NiYSZ复合多孔体构成金属陶瓷,空气极采用 LaMnO3(氧化镧锰),隔板采用 LaCrO3(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-

空气极

1/2O2+2e- O2-

全反应

H2+1/2O2 H2O

燃料极,H2经电解质而移动,O2-反应生成H2Oe-空气极,O2e-生成O2-全反应同其他燃料电池一样由H2O2生成 H2OSOFC,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

(三)SOFC的特点

(1)由于是高温动作(6001000),通过设置底面循环,可以获得超过60%效率的高效发电

(2)由于氧离子是在电解质中移动,所以也可以用CO煤气化的气体作为燃料

(3)由于电池本体的构成材料全部是固体,所以没有电解质的蒸发流淌,另外燃料极空气极也没有腐蚀,温度升高,可以进行甲烷等内部改质

(4)与其他燃料电池相比,发电系统简单,可以期望从容量比较小的设备发展到大规模设备,具有广泛用途

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