固体氧化物燃料电池(SOFC)属于第三代燃料电池,是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置,被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。 1.固体氧化物燃料电池的结构： 固体氧化物燃料电池单体主要由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极和连接体或双极板组成,如图4-21所示。 固体电解质是固体氧化物燃料电池最核心的部件,它的主要功能在于传导氧离子。它的性能(包括电导率、稳定性、热胀系数、致密化温度等)不但直接影响电池的工作温度及转换效率,还决定了与其相匹配的电极材料及其制备技术的选择。目前常用的电解质材料是Ni
粉弥散在YSZ的金属陶瓷,其离子电导率在氧分压变化十几个数量级时,都不发生明显变化。
电极材料本身首先是一种催化剂。阴极需要长期在高温和氧化环境中工作,起传递电子和扩散氧作用,应是多孔洞的电子导电性薄膜。固体氧化物燃料电池的工作温度高,只有贵金属或电子导电的氧化物适用于阴极材料,由于铂、钯等贵金属价格昂贵,一般只在实验范围内使用。实际常应用掺锶的锰酸镧作为固体氧化物燃料电池的阴极材料。目前,Ni/Ysz陶瓷合金造价最低,是实际应用中的首选的阳极材料。
连接材料在单电池间起连接作用,并将阳极侧的燃料气体与阴极侧的氧化气体(氧气或空气)隔离开来。钙钛矿结构的铬酸镧常用作固体氧化物燃料电池连接体材料。
2.固体氧化物燃料电池的工作原理：
固体氧化物燃料电池工作时,电子由阳极经外电路流向阴极,氧离子经电解质由阴极流向阳极。如图4-22所示为固体氧化物燃料电池的工作原理。
3.固体氧化物燃料电池的特点：
固体氧化物燃料电池除具备燃料电池高效、清洁、环境友好的共性外,还具有以下
优点。
①固体氧化物燃料电池是全固态的电池结构,不存在电解质渗漏问题,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,无需配置电解质管理系统,可实现长寿命运行。
②对燃料的适应性强,可直接用天然气、煤气和其他烃类化合物作为燃料。
③固体氧化物燃料电池直接将化学能转化为电能,不通过热机过程,因此不受卡诺循环的限制。发电效率高,能量密度大,能量转换效率高。
④工作温度高,电极反应速率快,不需要使用贵金属作电催化剂。
⑤可使用高温进行内部燃料重整,使系统优化。
⑥低排放、低噪声。
⑦废热的再利用价值高。
⑧陶瓷电解质要求中、高温运行(600~1000℃),加快了电池的反应进行,还可以实现多种烃类燃料气体的内部还原,简化了设备。
但是,固体氧化物燃料电池也存在以下不足之处。
①氧化物电解质材料为陶瓷材料,质脆易裂,电堆组装较困难。
②高温热应力作用会引起电池龟裂,所以主要部件的热膨胀率应严格匹配。
③存在自由能损失。
④工作温度高,预热时间较长,不适用于需经常启动的非固定场所。
固体氧化物燃料电池的能量密度高、燃料范围广和结构简单等优点是其他燃料电池无法比拟的。随着固体氧化物燃料电池的生产成本和操作温度进一步地降低,能量密度的增加和启动时间进一步地缩短,可以预见,固体氧化物燃料电池在今后的燃料电池电动汽车发展中有比较广阔的发展前景。
