《燃料电池技术》课件-1.4.2固体氧化物燃料电池（热电联供）

氢能技术应用专业教学资源库固体氧化物燃料电池（热电联供）目录CONTENTS固体氧化物燃料电池的工作原理与结构01固体氧化物燃料电池的制造0201固体氧化物燃料电池的工作原理与结构固体氧化物燃料电池的结构固体氧化物燃料电池的整体构造为全固态结构，电解质使用固体氧化物材料，工作温度一般在600℃以上，由于高温环境无需纯氢气作为燃料，可以利用重整反应将碳氢化合物转换为氢气，能够直接使用氢气、一氧化碳、甲烷和乙醇等各种可燃气体作为燃料。SOFC的高温工作条件保证了它具有较高的反应速度和发电效率，高温尾气用于余热复合发电能使综合效率达到83%。固体氧化物燃料电池的结构SOFC的常见结构包括圆管式、平板式。圆管式SOFC如图，单个燃料电池的结构包括阳极、阴极、电解质、连接体等。单个SOFC电池通串联或者并联组成电池堆。工作时，内部圆管通入空气，内外圆管夹层通入燃料。固体氧化物燃料电池的结构平板式SOFC如图，电堆由多个单电池串联堆叠而成，各个组件均为平板式结构。平板式SOFC由空气电极、固态电解质以及电极烧结而成，形成PEN板（Positiveelectrode-Electrolyte-Negativeelectrodeplate）。PEN平板由双面刻有流道的双极板连接，空气和燃气分别从双极板两侧的导气槽中交叉流过。

固体氧化物燃料电池的工作原理氧气在多孔阴极内通过催化反应得到电子转化为氧离子，氧离子通过固体电解质传输到阳极，之后氧离子与多孔阳极内的氢气经过催化和反应最终变成水蒸气，氢气分子上脱离出来的电子则流经外电路后回到阴极。固体电解质将两侧的气体分隔开，由于两侧氧分压的不同，产生了氧的化学位梯度，在该化学位梯度的作用下，在阴极获得电子的氧离子经固体电解质向阳极运动，在阳极与氢气反应产生水分子并释放出电子，从而在两极形成电压。固体氧化物燃料电池的典型特征是电解质为固态、无空隙的金属氧化物，由氧离子在晶体中穿梭送达离子。SOFC的工作原理图固体氧化物燃料电池的工作原理固体氧化物燃料电池适合与煤气化、燃气轮机、汽轮机等构成联合循环发电系统，建造中心电站或分散电站。在阴极上，氧分子吸附解离后得到电子被还原成氧离子。O2+4e-→2O2-氧离子在电位差和氧浓度驱动力的作用下，通过电解质中的氧空位向阳极迁移，与燃料(以H₂为例)发生氧化反应生成水并释放热量，同时释放电子。2H2+2O2-→2H2O+4e-电池的总反应2H2+O2→2H2O其发电工作原理分为三步：02010302固体氧化物燃料电池的制造固体氧化物燃料电池堆管式SOFC单电池从内到外由一端封闭的多孔阴极支撑管、电解质、连接体和阳极组成。它由一端封闭、一端开口的管状单体电池以串、并联方式组装而成。固体氧化物燃料电池堆管式SOFC电池堆制备工艺为：通过挤压成型方法制备多孔的氧化钙稳定的氧化锆支撑管，在支撑管上制备阳极、电解质薄膜和阴极，燃料从管芯输入，空气通过管子外壁供给，高温烧结成型。即每个单体电池从内到外由多孔CaO稳定的ZrO₂(简称CSZ)支撑管、LSM空气电极、YSZ固体电解质薄膜和Ni/YSZ金属陶瓷阳极组成。单电池间的连接体设在还原气氛一侧，这样可使用廉价的金属材料作电流收集体。单电池采用串联、并联方式组合到一起，可避免当某一单电池损坏时电池组完全失效。用镍毡将单电池的连接体联结起来，可以减小单电池间的应力。0102SOFC发电系统千瓦级家用热电联供系统02兆瓦级发电系统05100W的便携式电源系统01分布式电源及固定电站用百千瓦04SOFC发电系统分类千瓦级汽车辅助电源系统03SOFC发电系统SOFC发电系统由热管理系统、物料供应系统、控制系统、SOFC电堆模块、电力转换系统等组成。SOFC发电系统流程图SOFC发电系统SOFC系统示意图SOFC发电系统固体氧化物燃料电池（SOFC）发电系统的组装步骤包括以下几个方面：（1）电堆模块的组装：按照要求完成电堆模块的组装。（2）燃料重整器的组装：燃料重整器主要用于将传统燃料（如天然气或甲烷）转化为适合SOFC系统使用的合成气。首先，安装和连接燃料进口和出口管道，然后按照设计要求安装和组装燃料重整器的其余部分，包括催化剂层、换热管、反应室等。（3）燃烧器的组装：燃烧器用于在需要额外热源时提供燃料的完全燃烧。安装和连接燃料进口和出口管道，然后根据设计要求安装和组装燃烧器的其余部分，包括燃料喷嘴、燃烧室、点火装置等。（4）热交换器的组装：热交换器用于回收电堆模块排出的热量，提供预热给进入电堆的新鲜气体。安装和连接燃料进口和出口管道，然后根据设计要求安装和组装热交换器的其余部分，包括热交换管、冷却剂流道等。（5）如果系统需要使用脱硫器来处理燃料中的硫化物，可以将其安装和连接到燃料进口和出口管道中。（6）安装和连接泵和风机，用于提供气体流动的压力和流量控制。（7）安装和连接电堆模块、热交换器、燃料重整器、燃烧器