第九章 固体氧化物燃料电池（SOFC） 第一节 概述 一、电池的工作原理 固体氧化物燃料电池电化学 反应过程示意图 固体氧化物燃料电池工作原理图 简单的SOFC由阴极、阳极、电解质和用电器所组成。氧 分子在空气极得到电子，被还原成氧离子O2-，在阴阳极 氧的化学位差作用下，氧离子（通常以氧空位的形式） 通过电解质（固态）传输到阳极，并在阳极同燃料发 生，生成水和电子，电子通过外电路的用电器做功， 并形成回路。 阴极反应：O2+4e2O2- 阳极反应：H2(g) +O2-H2O(g) +2e 总反应：2H2+O22H2O 同其他燃料电池的区别： 热损失在SOFC中可以得到有效的利用：一是这些热 量保证了SOFC在高温下运行；二是高温热量可以有 效的利用，如蒸汽发电等； SOFC可以直接使用任何可燃物质作为燃料。 二、SOFC的结构类型及其特点 常采用的结构类型有管型和平板型两种。 管型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。 平板型SOFC的空气电极/YSZ固体电解质/燃料电极烧 结成一体，组成“三合一”结构（PEN）。 SOFC的优点： 全固态的电池结构，避免了使用液态电解质所 带来的腐蚀和电解液流失等问题； 对燃料的适应性强； 能量转换效率高； 不需要使用贵金属催化剂； 低排放，低噪声； 规模和安装地点灵活。 三、SOFC的国内外研究与开发现状 n管型SOFC是目前最接近商业化的SOFC发电技术。西 门子-西屋动力公司（SWPC）； n日本的Kansai电力公司的管型SOFC已经进行了 10529h的高电流密度放电试验； n加拿大的Global热电公司在中温平板型SOFC研发领 域具有举足轻重的地位； n中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学 物理研究所、中国科技大学等正在进行平板型SOFC 的研发。 四、SOFC的应用 第二节 SOFC电解质材料 固体电解质是SOFC最核心的部件。 电解质必须具备以下条件： p高的离子电导率和可以忽略的电子电导率； p在氧化和还原气氛中具有良好的稳定性； p能够形成致密的薄膜； p足够的机械强度和较低的价格等。 电解质材料 氧化钇稳定立方氧化锆（YSZ） 氧化钪稳定立方氧化锆（SSZ） 钙钛矿结构的镓酸镧基氧化物 掺杂立方氧化铈（DCO） 高温SOFC（8001000） 中温SOFC（600800） 低温SOFCE（600以下） 电电解质质优优点不足之处处 YSZ在氧化和还还原气氛下稳稳定性良好 ；机械性能良好；寿命可达4万小 时时以上；稳稳定可靠的原材料供给给 氧离子电导电导 率低；与部 分阴极材料不相容 掺杂掺杂 氧化铈铈与阴极材料相容；在低氧分压压下 为为混合电电子、氧离子导导体，适合 做阳极材料 低氧分压压下具有电电子导导 电电性，开路电压电压 低；机 械性能比YSZ低 LSGM与阴极相容低氧分压压下Ga挥发挥发 ； 与NiO不相容；机械性 能与DOC相当 SSZ在氧化和还还原气氛下稳稳定性良好Sc昂贵贵，来源受限制 SOFC主要电解质的优越性和不足之处 一、氧化钇稳定的氧化锆（氟化钙晶体结构） 氧化锆有三种变体： l单斜相（M），稳定温度为NdSm。 1000T/K-1 Ca掺杂LnGaO3的电导率 温度/ log/(S/cm) l在LaGaO3的A位掺入 碱土金属会明显提高电 导率，其中Sr掺杂的电 导率最高。 lB位掺杂Mg也可以提高 电导率，掺杂量可达到 20%。 电导率最高的组分为 La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3 (LSGM) 。 LSGM的缺点： 不容易得到纯相，会降低电解质的电导率； 在高温下的化学稳定性不好。 与Ni电极之间能够发生反应； 在1000的还原性气氛下，Ga的挥发导致电 解质分解。 机械强度低，Ga价格高。 LSGM电解质只适用于在800以下工作。