固體氧化物燃料電池簡介

2021-01-21 春陽資本

1. 電解質

電解質是SOFC的最核心部件,它的性能直接決定了SOFC的工作溫度和性能。對SOFC的電解質材料來說,它必須滿足以下條件:

(1)髙的離子電導率和低的電子電導率;

(2)在氧化/還原氣氛中具有良好的化學和物理穩定性;

(3)可製備成緻密的具有良好氣密性的薄膜以隔絕燃料氣和氧化氣;

(4)與SOFC其他部件熱匹配良好;

常見的電解質材料有以下幾種:

氧化釔穩定立方氧化鋯(YSZ)、摻雜立方氧化鈰(DCO)、鈣鈦礦結構的鎵酸鑭基氧化物。

常用的SOFC電解質材料是氧化釔穩定氧化鋯,與氧化鋯具有相同螢石結構的氧化鈰也是SOFC常用的電解質材料。與氧化鋯相比,特別是低溫條件下,氧化鈰具有更高的離子電導率和更低的極化阻抗。

2. 陽極

在SOFC中,陽極是H2等燃料氣發生氧化反應的場所,為了減小陽極阻抗,陽極必須滿足以下基本要求:

(1)良好的電子電導率;

(2)足夠的電化學反應活性;

(3)化學穩定性;

(4)一定的孔隙率;

(5)與其他SOFC部件熱匹配。

為了滿足以上這些要求,目前普遍採用多孔的金屬陶瓷作為SOFC的陽極材料。由於陽極處於還原性氣氛中,可以用金屬作為陽極材料,如Ni、Co、Ag、Au等。為了防止陽極材料在使用過程中的燒結和解決熱膨脹係數不匹配問題,加入陶瓷相而製作了金屬陶瓷。

3. 陰極

在SOFC中,陰極主要為氧氣的電化學還原提供活性位。它必須滿足下要求:

(1)高電子電導率(氧化氣氛下大於100Scm-1);

(2)與電解質材料和功能層材料熱匹配和化學匹配;

(3)有一定的孔隙率使氧氣可以直接從陰極表面擴散至陰極/電解質接觸面;

(4)在S0FC製備和測試過程中的氧化氣氛下具有良好的穩定性;

(5)對氧氣的還原反應有很高的催化活性;

(6)低成本。

基於上述要求以及SOFC的運行條件,陰極材料一般可選用貴金屬和具有高電子電導率的氧化物。然而考慮到實際應用的成本控制,目前最為常用的陰極材料為鈣鈦礦材料La1-XSrxMnO3(LSM)。

4. 連接體材料

由於單個SOFC電池的開路電壓只有1V左右,輸出功率也很低,因此實際應用時需要將多個單電池連接起來,形成串聯、並聯或混聯的電池堆。連接體材料主要在電池堆中起到連接單電池的作用,同時也起密封作用,將燃料氣與空氣隔絕開。因此連接體材料的要求有:

(1)高電子電導率;

(2)高溫條件下在氧化和還原氣氛中都保持化學和物理性質穩定;

(3)氣密性好;

(4)與SOFC其他部件有良好的熱匹配且不發生化學反應。

目前對連接體材料的研巧主要是LaCr〇3基陶瓷材料和合金材料。


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