固体氧化物燃料电池ppt课件

电源工艺学 化工与环境学院孙旺办公室 5号教学楼520电话 68918696 上节内容 PAFC电池原理及特点MCFC原理及特点 4 1燃料电池概述4 2碱性燃料电池4 3磷酸盐燃料电池 PAFC 4 4碳酸熔融盐电池 MCFC 4燃料电池 4 5固体氧化物燃料电池4 6质子交换膜燃料电池4 7直接甲醇燃料电池4 8其他燃料电池 4 5 1SOFC概述4 5 2SOFC电解质4 5 3SOFC阳极4 5 4SOFC阴极4 5 5SOFC密封材料及连接体4 5 6SOFC电池制备4 5 7SOFC应用前景 4 5SOFC SolidOxideFuelCell 4 5 1SOFC概述 1890年 Nernst发现ZrO2在600 1000 传导离子1930年 Baur和Preis进行了小型氧化锆燃料电池 Fe或C阳极 Fe3O4阴极 1950年 压制或流延制备薄膜电解质1970年 氧化锆传感器用在汽车尾气检测中 推动了SOFC的发展 SOFC初发展 4 5 1SOFC概述 SOFC原理 SOFC特点 全固态结构 无腐蚀和漏液问题工作温度 650 1000 具有高的余热利用价值 效率高燃料广 氢气 碳氢燃料 水煤气等无需贵金属催化剂 Ni阳极 钙钛矿阴极材料大规模生产有可能降低成本 2 3 1SOFC概述 平板式SOFC SOFC结构 SOFC组成单元截面示意图 管式SOFC 扁管式SOFC SOFC概述 支撑形式 阴极 阳极 电解质 阳极支撑型 电解质支撑型 阴极支撑型 SOFC三种电池构型的对比 低温SOFC 550 750 中温SOFC 750 850 高温SOFC 850 1000 工作温度分类 4 5 2SOFC电解质 电解质 SOFC最核心部件 条件 SOFC组成 电解质 阳极 阴极 连接体 密封材料 高的离子电导率和可以忽略的电子电导率 在氧化和还原气氛中具有良好的稳定性 能够形成致密的薄膜 足够的机械强度和较低的价格等 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 800 1000 中温SOFC 650 800 低温SOFCE 650 以下 4 5 2SOFC电解质 SOFC电解质材料 氧化钇稳定的氧化锆 YSZ 立方萤石结构 ZrO2有三种变体 单斜相 M 稳定温度为 1100 四方相 T 稳定温度为1100 2300 立方相 C 高温稳定相 熔点是2715 单斜结构 四方结构 面心立方结构 1170 2370 4 5 2SOFC电解质 SOFC电解质 YSZ 氧离子电导率为 nq n 可移动氧空位浓度 氧空位迁移率 q 氧空位带电量 VO 可移动氧空位分数 E 导电活化能A 指前因子 加入氧化钇稳定剂 可以将立方氧化锆稳定到室温 同时产生氧空位 氧空位浓度由掺杂量确定 4 5 2SOFC电解质 氧化钇稳定的氧化锆 YSZ YSZ的电导率与Y2O3的浓度有关 与掺杂剂阳离子大小有关 电导率取极值时 掺杂量随离子尺寸增大而减小 4 5 2SOFC电解质 氧化钇稳定的氧化锆 YSZ 掺杂离子与晶格离子尺寸相差越大 空位移动所要克服的应变能越大 移动速度越小 YSZ的性质YSZ表现出高稳定性和与其他组元间良好相容性 纯ZrO2不导电 8 9 摩尔分数 Y2O3全稳定YSZ表现出最大电导率 YSZ材料力学性能一般 且随温度升高而明显衰减 ZrO2系统中 低Y2O3含量 2 3 时具有四方相稳定结构 Y TZP 室温和高温下都表现出很好的力学性能 在600 以下时 电导率比YSZ高 加入Al2O3可提高YSZ基体力学性能 且电导率得以提高或至少不降低 氧化钇稳定的氧化锆 YSZ 4 5 2SOFC电解质 温度和氧压力变化时 可形成具有氧缺位型结构的CeO2 10 3 主要离子缺陷是二价氧离子空位 0 3 主要离子缺陷是二价向一价过渡的价态空位 掺杂CeO2的电解质材料特别适合直接用甲烷气的SOFC中 4 5 2SOFC电解质 掺杂的CeO2电解质 纯氧化铈 立方萤石结构 N型半导体 CO的电导率平均比YSZ高一个数量级以上 只有在高氧分压下才是纯的氧离子导体 掺杂CeO2电解质的性质Ce4 向Ce3 的转变产生于低氧分压区 有明显的电子电导出现 杂质的引入可以限制CeO2在还原气氛中还原 在CeO2固溶体外包裹一层稳定的离子导电薄膜如YSZ可限制其还原 CeO2的电导率随着掺杂元素的离子大小 价态和掺杂量的变化而变化 4 5 2SOFC电解质 掺杂的CeO2电解质 随着温度的降低 电子电导率逐渐减弱 基于DCO的SOFC应当在低于600 温度下使用 4 5 2SOFC电解质 掺杂的CeO2电解质 由右图可看出 最大电导率对应的组成为Ce0 8Sm0 2O1 9 Gd3 Sm3 Y3 掺杂的氧化铈有较高的电导率 4 5 2SOFC电解质 掺杂的CeO2电解质 纯Bi2O3有两种晶型 大于730 时是 型 为立方萤石结构 小于730 时是 型 为单斜结构 型Bi2O3在接近熔点温度825 时 表现出很好的氧离子电导性 型Bi2O3是P型半导体 在其中掺入一定量金属氧化物 将形成低温稳定的 型Bi2O3 在已知的氧离子导电体中 稳定Bi2O3表现出最大离子导电率 但是低氧分压下不稳定 4 5 2SOFC电解质 Bi2O3电解质 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B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 4 5 2SOFC电解质 LaGaO3电解质 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 4 5 2SOFC电解质 LaGaO3电解质 SOFC主要电解质的比较 4 5 2SOFC电解质 SOFC电解质材料 4 5 3SOFC阳极 稳定性在燃料气氛中 阳极必须在化学 形貌和尺度上保持稳定 电导率阳极材料在还原气氛中要具有足够高的电子导电率 以降低阳极的欧姆极化 同时还具备高的氧离子导电率 以实现电极立体化相容性阳极材料与相接触的其它电池材料必须在室温至制备温度范围内化学上相容 SOFC阳极的要求 阳极 燃料的电化学氧化反应的场所 燃料输入和产出排出通道 4 5 3SOFC阳极 SOFC阳极的要求 热膨胀系数阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系数相匹配 孔隙率阳极必须具有足够高的孔隙率 以确保燃料的供应及反应产物的排出 催化活性阳极材料必须对燃料的电化学氧化反应具有足够高的催化活性 其他要求 具有强度高 韧性好 加工容易 成本低的特点 4 5 3SOFC阳极 SOFC阳极材料 Ni YSZ金属陶瓷阳极 YSZ作用 支撑作用 提供承载Ni粒子的骨架结构 阻止Ni粒子烧结团聚 使得阳极的热膨胀系数能与电解质 YSZ 相匹配 Ni 多孔状态均匀地分布在YSZ的骨架上 提供阳极中电子流的通道外和对氢的还原有催化作用孔隙率 20vol 40vol 在Ni中加入YSZ的目的是使发生电化学反应的三相界向空间扩展 即实现电极的立体化化学稳定性 Ni YSZ在还原气氛中稳定 在室温至操作温度内无相变 1000 以下 Ni YSZ几乎不与YSZ及连接材料LaCrO3发生反应 Ni YSZ电导率 与Ni含量相关 当Ni低于30wt YSZ的离子导电占主导地位 Ni的含量高于30wt 时 Ni粒子连通够成电子通道 Ni YSZ电导率增大3个数量级以上 即Ni电子电导占主导地位 热膨胀系数 Ni YSZ的热膨胀系数随组成不同而发生改变 随着Ni含量的增加 Ni YSZ热膨胀系数增大 4 5 3SOFC阳极 Ni YSZ金属陶瓷阳极性质 4 5 3SOFC阳极 其他阳极材料 Ni SDC阳极 SDC具有较高的离子电导率 且在还原气氛中会产生一定的电子电导 掺入到阳极催化剂中 扩展电化学反应的三相界 提高电极的反应活性 LaSrTiO3阳极 具有良好的电子导电性 抗阳极积炭能力 用于CH4等碳氢化合物为燃料的SOFCLaCrO3基 良好的催化活性及稳定性 电解质支撑的SOFC 工作温度较高 作为支持层成型困难 SOFC阳极 吸附 脱附 1 2 表面反应 界面反应 P P Holatppels提出的机理模型 阳极反应机理模型 3 4 5 6 稳定性在氧化气氛中具有足够的化学稳定性 形貌 微观结构 尺寸等在电池长期运行过程中不能发生明显变化 电导率足够高的电子电导率 以降低阴极的欧姆极 具有一定的离子导电能力 以利于氧化还原产物向电解质的传递 4 5 4SOFC阴极 阴极 氧化剂还原的场所 同时为氧化剂输入及输出提供气体通道 SOFC对阴极的要求 催化活性工作温度下 对氧化还原反应具有足够高的催化活性 以降低阴极电化学极化的过电位 提高电池的输出性能 相容性在SOFC制备和操作温度下与电解质材料 连接材料或双极板材料与密封材料化学上相容热膨胀系数室温至SOFC操作温度或更高的制备温度范围内与其他电池材料热膨胀系数相匹配多孔性SOFC的阴极必须具有足够的孔隙率 以确保活性位上氧气的供应 SOFC对阴极的要求 4 5 4SOFC阴极 SOFC阴极材料类型 4 5 4SOFC阴极 Sr掺杂的LaMnO3 LSM LSM在氧化气氛中具有良好的电子电导率高和与YSZ的良好的YSZ化学相容性 通过修饰可以调整其热膨胀系数 使之与其他电池材料相匹配 钙钛矿结构 Mn和O离子构成MnO6八面体结构八个MnO6共用 离子分布于立方体的八个顶点上 离子位于立方体的中心 SOFC阴极材料类型 4 5 4SOFC阴极 Sr掺杂的LaMnO3 LSM a 固相反应法 b 溶胶 凝胶法 c 共沉淀 共沸蒸馏法 导电性能 LaMnO3为本征半导体 电导率很低 室温 LaMnO3的电导率10 4 1cm 1 700 0 1 1cm 1 位和 位掺杂地低价态的金属离子 会使材料的电导率大幅度提高 在LSM中是掺杂SrO代替了部分La2O3 Mn4 含量增加 从而提高材料的电子导电率 化学相容性 LSM与其他电池材料的热膨胀系数的匹配性 掺杂Sr可以增加LaMnO3的热膨胀系数 且随着掺杂量的增加LSM热膨胀系数增大 SOFC阴极材料类型 4 5 4SOFC阴极 LSM性质 LaSmCo 高的离子导电性和足够高的电子导电性 LSC以SDC为电解质的SOFC作为阴极材料有很高活性 但是LSC高温下会与YSZ发生反 而不能作为以YSZ为电解质SOFC的阴极 LSCF 电导率随Fe掺杂量的增加而下降 电导率峰值产生的温度也从200 升高到920 La Sr比例对材料的性能也有较大影响 0 4时LSCF峰值电导率达到350S cm而对 0 2时 电导率的峰值为160S cmBaSrFeAlBaSrCoFe SOFC阴极材料类型 4 5 4SOFC阴极 其他阴极材料 SOFC阴极 阴极氧还原反应机理模型 具体步骤的方程表示如下 1 2O2 OadOad e Oad Oad OTPB OTPB e O 无论电子导体和混合离子导体 三相反应区是反应的主要发生场所 4 5 5SOFC密封技术及连接体 粘结性 与SOFC其他各组元材料之间要有很好的结合性能 在封接过程中通过局部反应形成强化学键合 并且在室温到工作温度范围内 这种结合不被破坏 稳定性 在氧化和还原环境中 从室温到工作温度范围内 化学性质稳定 无明显的性能衰减和外形尺寸变化 相容性工作条件下与其它组元材料化学兼容而不发生反应 要求封接材料能够适应燃料气中一些杂质污染 气密性 室温到操作温度下 都不允许燃料气和氧气泄漏 其它易加工 有操作性好 成本低等 SOFC密封材料要求 4 5 5SOFC密封技术及连接体 SOFC密封材料类型 硬密封方式 导电胶或Al2O3掺杂的导电胶 硅酸盐玻璃系列 各种密封胶 软密封 云母 纤维等材料复合压实密封其他密封材料 技术保密 目前没有比较统一实用的技术 4 5 5SOFC密封技术及连接体 SOFC连接体 材质 SUS430合金表面处理防止高温氧化 单体 与电池其他部件的化学相容性 热膨胀系数匹配 不发生有害的扩散反应 高温下抗氧化性良好导电性好 兼做电流收集气道分布均匀 设计要求严格 不漏气 4 5 6SOFC电池制备 电极及电解质粉体制备 Ni YSZ YSZ LSM体系SOFC电池 NiO YSZ LSM等粉体制备 固相法 共沉淀 溶胶凝胶 共沸蒸馏等方法制备条件 干燥条件 煅烧条件对粉体粒度和形貌的影响粉体粒度形貌对其性能影响较大 制备Ni YSZ金属陶瓷的方法有多种 包括传统的陶瓷成型技术 流延法 轧末法 涂抹技术 丝网印刷 浆料涂覆 和沉积技术 化学气相沉积 等离子体溅射 管式SOFC通常采用化学气象沉积 浆料涂覆法制备Ni YSZ阳极 电解质自支撑平行板SOFC的阳极制备可采用丝网印刷 溅射 喷涂等多种方法 电极负载型平板型SOFC的阳极制备一般采用轧膜 流延等方法 4 5 6SOFC电池制备 Ni YSZ阳极成型制备 4 5 6SOFC电池制备 流延制备Ni YSZ阳极 流延机工作原理示意图 4 5 6SOFC电池制备 流延制备Ni YSZ阳极 流延素坯经过烧结除去有机物得到多孔的NiO YSZ阳极 作为电极时首先还原成Ni 4 5 6SOFC电池制备 YSZ电解质制备 电泳沉积 在导电基体上通过外加电流方法沉积YSZ层 通过电流和沉积时间控制YSZ厚度流延技术 与阳极流延工艺相同 粉料只有YSZ即可 通过多层流延技术 得到Ni YSZ YSZ复合基体 浸渍涂敷 YSZ电解质配置成浆料状态 通过阳极浸入涂覆一层YSZ 高温烧结后得到致密的YSZ层 支撑体 0 5 1 5mm 颗粒较大的NiO与YSZ 具有较的孔隙率和孔径功能层 电化学反应活性层 较小的颗粒构成较多的三相反应界面 10 30微米电解质 膜厚度在5 30微米不等 通过刮刀高度及浆料粘度控制 流延技术 多层流延 梯度阳极 10cm 10cm