固体氧化物燃料电池结构组成
固体氧化物燃料电池结构
固体氧化物燃料电池结构
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种高温燃料电池，其正负极和电解质都是固体材料。
SOFC的基本结构包括阳极（正极）、阴极（负极）和固体电解质。
阳极和阴极之间的电解质起到离子传导和电子阻隔的作用。
阳极通常由金属或金属氧化物制成，常用材料有镍、镍钇复合氧化物。
阳极上的燃料气体（如氢气、甲烷等）被分解成带负电荷的氢离子（H-）和自由电子。
氢离子通过固体电解质传递到阴极。
阴极通常是由氧化物材料制成，如尺寸稳定的氧化钇钇钛酸盐（Yttria-Stabilized Zirconia，YSZ）。
在阴极上，氧气分子被还原成氧离子（O2-），并与通过电解质传递过来的氢离子结合形成水。
固体电解质是SOFC的核心组件，通常由固体氧化物制成，如YSZ、氧化锆、氧化铈等。
固体电解质的主要功能是提供氧离子传导通道，同时阻隔电子的通过。
固体氧化物燃料电池的结构具有高温操作、高效率和不要求纯净燃料等优点，因此被广泛应用于分布式能源系统、电力和热力联产等领域。
固体氧化物燃料电池(SOFC)
固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展摘要：固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有高效率、零污染、无噪声等特点。
它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。
这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。
本文简略地介绍了固体氧化物燃料电池及现状和存在的题目，并提出了值得深进研究的课题。
关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC)，现状，发展1．固体氧化物燃料电池发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年，SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。
以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表，研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。
1987年，该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统，到1997年3月成功运行了约1. 3万小时；1997年12月，西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统，截止到2000年底封闭，累计工作了16 ,612小时，能量效率为46 %；2002年5月，西门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套220kW SOFC与气体涡轮机联动发电系统，目前获得的能量转化效率为58 %，猜测有看达到70 %。
接下来预备在德国安装320kW 联动发电系统，建成1MW的发电系统，预计2005年底，管状结构SOFC走向贸易化。
同时，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验.另外，加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. )，美国GE、Z2tek 等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。
说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理(一)
说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理(一)说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理介绍固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种高效、低污染的能源转换设备。
它利用固体氧化物作为电解质，将化学能转化为电能，广泛应用于电力和燃料领域。
结构固体氧化物燃料电池的主要结构有以下几个部分：1.阳极：阳极是燃料一侧的电极，常用材料是镍（Ni）或含铈质的材料。
它具有良好的催化性能，能够使燃料与电解质进行反应。
2.阴极：阴极是氧化剂一侧的电极，常用材料是钇稳定氧化锆（YSZ）等，能够吸收氧气并与电解质发生反应。
3.电解质：电解质是固体氧化物燃料电池中的核心部分，常用材料有钇稳定氧化锆、钡稳定氧化钇（BCY）等。
它具有高离子电导率和低电子导率，能够传输氧离子并阻止电子的流动。
4.连接体：连接体用于连接阳极和阴极，常用材料是钇稳定氧化锆等，具有导电性质。
5.当前集流体：当前集流体用于收集由电解质传输的氧离子，并将其导入外部电路。
6.电极反应层：电极反应层位于阳极和阴极的界面上，能够促进燃料和氧化剂的反应。
工作原理固体氧化物燃料电池的工作过程可以分为以下几个步骤：1.燃料（如氢气、天然气等）被供应到阳极一侧，同时氧化剂（如氧气）被供应到阴极一侧。
2.在阳极上，燃料发生氧化反应，产生电子和氧离子（O^2-）：H_2 + 2O^{2-} -> 2H_2O + 4e^-3.氧离子通过电解质传输至阴极。
在传输过程中，电子通过外部电路流动形成电流，完成能量转换。
4.在阴极上，氧离子与氧化剂反应生成氧气：O^{2-} + 1/2O_2+ 2e^- -> O_2-5.这个过程持续进行，从而形成稳定的电流输出。
固体氧化物燃料电池具有高能量转换效率、低排放和燃料灵活性的特点，在电力和燃料领域具有广阔的应用前景。
它被广泛应用于发电站、交通工具、家用电器等领域，为可持续能源发展做出了重要贡献。
固体氧化物燃料电池电堆
固体氧化物燃料电池电堆固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一类高效能、稳定性良好、使用寿命长的燃料电池。
SOFC 採用固体电解质板，通常是由氧化物制成，作为电池的电解质层。
在两面固体电解质板之间是阳极和阴极，形成一个电池单元或电池堆。
电解质板可以在高温下（700℃-1000℃）传递离子。
这些离子可能是氢气、碳气化物、または甲烷等燃料分子中的氢离子，也有可能是与空气中氧气反应排放出的氧化离子和负电荷。
通过这种方式，可以将化学能转化为电能，并输出热能和水蒸气。
工业领域和燃料电池汽车中SOFC 主要应用于高温、大功率、固定输出的使用场景，如工业领域的能量、材料制造或储存等方面。
SOFC 能够在700℃-1000℃ 的高温环境中运行，可以输出至少数十千瓦的功率，并且具有高效率和高可靠性。
例如，SOFC 在市电停电时可以作为应急电源使用。
此外，SOFC 还可以作为燃料电池汽车的一个支持系统，从而大大提高氢气燃料电池汽车的续航里程。
SOFC 的优势与挑战与其他类型的燃料电池相比，SOFC 具有以下优点：● 高效能和高效率：SOFC 可以在燃料转化为电力和热能时实现高效能和高效率，因此SOFC 的能源使用性能超过其他类型的燃料电池。
此外，SOFC 可以将余热转化为电力，从而提高了总效率。
● 可靠性高：SOFC 没有移动部件，因此具有较高的可靠性和寿命。
此外，SOFC 可以长时间运行，不需要频繁的维护保养。
在合适的条件下，SOFC 可以运行数万小时以上。
● 适用性广：SOFC 能够利用各种类型的氢燃料，如纯氢气或从天然气、煤气或生物质中提取的氢气。
此外，SOFC 还可以通过氢和二氧化碳的混合物产生燃料电池输出，从而促进可持续发展。
SOFC 同时也存在一些挑战：● 高温：SOFC 必须在高温环境（700℃-1000℃）下运行，在运行和停机过程中，SOFC 必须进行缓慢加热和冷却，以避免热震和断裂。
固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）作为一种高效、清洁的能源转换技术，在冷热电联供系统中具有广阔的应用前景。
冷热电联供系统是一种集成化的能源利用方式，通过优化热电联产过程，实现能源的高效利用。
SOFC 作为冷热电联供系统的组件之一，具有高效、低排放、灵活性强等优势，因此在能源系统中发挥着越来越重要的作用。
1.SOFC概述SOFC是一种以固体电解质为基础的燃料电池，其主要组成部分包括阳极、阴极和电解质，其中电解质通常为氧化物。
在工作过程中，燃料（通常为氢气、甲烷等）在阳极处发生氧化反应，产生电子和离子，电子通过外部电路形成电流，离子穿过电解质到达阴极，在阴极处与氧气发生还原反应。
这种电化学过程产生的电能可用于供电或其他电力需求，同时SOFC还能够产生高温废热。
2.冷热电联供系统中的应用前景2.1高效能源转换SOFC具有高效率的能源转换特性，其电-热转换效率可达60%以上。
通过将SOFC与其他能源设备集成，如燃气轮机、蒸汽轮机等，可以实现更高效的能源转换，提高整个系统的总体能源利用效率。
2.2低排放与环境友好与传统发电方式相比，SOFC的燃烧过程不仅效率更高，而且排放的主要产物为水蒸气和二氧化碳。
SOFC在冷热电联供系统中的应用有助于减少温室气体排放，符合环保和可持续发展的要求。
2.3灵活性与响应速度SOFC具有较高的热响应速度，可以在短时间内达到额定功率，使其在应对电力需求波动、应急电力供应等方面具备灵活性。
这使得SOFC在冷热电联供系统中能够更好地适应复杂多变的能源需求。
2.4分布式能源系统SOFC可以被部署在分布式能源系统中，通过小型化、模块化的设计，实现能源的近端生产与使用，减少能源传输损失。
这种分布式部署方式有助于提高电力系统的鲁棒性和可靠性。
3.具体应用案例3.1工业厂区冷热电联供将SOFC集成到工业厂区的能源系统中，通过利用SOFC产生的废热供热，同时利用其电力输出满足工业生产的电力需求。
以甲烷为燃料的SOFC研究进展
方法是在高温下,在阳极内部CH4直接重整（如图 2.所示）,且水蒸汽重整制氢占据了主导地 位。在内部重整型SOFC中,重整反应所需热量由燃料电池反应供给,因而可以省去传统SOFC
的燃料处理器所需的外部热交换器,在燃料电池内部将重整反应与电化学氧化反应偶联将内
部重整由概念变成现实。
甲烷蒸汽重整过程主要进行如下反应：
（5）甲烷在高温下发生了裂解反应，
CH4→C+2H2
(20)
C+H2O→CO+H2
(21)
但是,甲烷直接进入 SOFC 阳极后,在阳极氧化过程复杂,在阳极表面,甲烷的不完全氧
化、积碳等现象均会导致电池性能下降。基于此,我们在研究甲烷直接转化发电基础上,对甲
烷在 SOFC 中的阳极催化氧化机制作深入研究与探讨。
2.1.2.甲烷直接氧化
甲烷结构稳定,完全氧化转化反应的自由能高。天然气在SOFC中的利用方式有两种,其
一,甲烷经外部催化转化成CO和H2混合气,然后进入SOFC阳极发电,这需要复杂的外部重整 转化设备,投资大,增加了工艺的复杂性;其二,将甲烷直接送入SOFC阳极,在SOFC阳极表面
直接完成转化与发电两个过程,是目前SOFC电催化过程研究中的前沿领域。 因为蒸汽重
2.2.阳极氧化性能研究
上述各个反应与O2-的供应速度密切相关。当氧气进入SOFC本体时,氧在阴极上的还原 反应速度及O2-在固体氧化物电解质中的离子传输速率,直接影响到达阳极表面的O2-数目。在 SOFC系统中,希望到达阳极的O2-数目足够多,使甲烷达到完全氧化反应,释放出最多电子数, 获得高的输出电流密度。氧离子在固体氧化物电解质中的迁移机理分析表明,高活性阴极催 化剂、固体电解质的组成及厚度、系统工作温度都会影响到达阳极的O2-数目。此外,在阳极 与固体电解质之间存在三相界面(tpb),研究表明在tpb处,富集着相当数目的O2-,富集的O2-越多, 积碳现象越少。因此,在阳极催化剂分布时,形成较多的tpb区域是有利的。
固体氧化物燃料电池
平板型SOFC
平板型SOFC的空气/YSZ固体电解质/
燃料电极烧结成一体，组成“三合一”
结构，其间用开设导气沟槽的双极板 连接，使其间相互串联构成电池组。
平板型SOFC的优点：
“三合一”组件制备工艺简单，造价低，由于电流收集均匀， 流经路径短，使平板型电池的输出功率密度较管式高。
平板型SOFC的缺点：
在ＳＯＦＣ中，ＹＳＺ的最重要的用途是制备成致密 的薄膜，用于传导氧离子和分隔燃料与氧化剂。 ＳＯＦＣ阴极－电解质－阳极“三合一”组件有两种 基本结构：电解质支撑型和电极支撑型。两种不同结构 “三合一”组件的电解质薄膜厚度不同。电解质支撑型的 ＹＳＺ薄膜厚度一般在０．２ｍｍ以上，电极支撑型的Ｙ ＳＺ薄膜厚度一般在５－２０μｍ之间。
阳极材料的基本要求：
（1）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。 （2）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。 （3）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。
在ＺｒＯ２晶格中，每引 入Ｙ３＋，就有一个氧空
位产生。
Sr、Mg掺杂的LaGaO3 (LSGM)
ＬＳＧＭ电解质材料的合成通常采用高温固相反 应法。按化学计量比将Ｌａ２Ｏ３﹑Ｇａ２Ｏ３和掺 杂剂ＳｒＣＯ３ ﹑ＭｇＯ混合均匀，在１０００℃
焙烧３６０ｍｉｎ，将得到的粉料重新研磨，将粉
料在１５００结体；将烧结体在研钵内加入乙醇研磨１２
０ｍｉｎ，即可获得ＬＳＧＭ粉料。
ＬＳＧＭ的结构
ＬａＧａＯ３具有扭曲的钙钛 矿结构，倾斜的ＧａＯ６八面 Ｌａ位于正六面体的中心，组 成正交结构的晶胞。
质子导体固体氧化物燃料电池
质子导体固体氧化物燃料电池质子导体固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种能够将化学能直接转化为电能的高温燃料电池。
相较于其他燃料电池技术，SOFC具有高效率、低污染、多燃料适用性等优点，被广泛认为是一种有潜力的清洁能源技术。
一、SOFC的基本原理SOFC的工作原理基于氧离子导体材料。
它由质子传导固体氧化物电解质层和阴阳极两侧的电极组成。
当燃料气体（如氢气、天然气等）通过阳极进入与电解质层接触的区域时，发生氧化反应，将氢气转化为水蒸气，并释放出电子。
同时，电解质层中的氧离子受到激活，并通过质子传导固体氧化物电解质层向阴极迁移。
在阴极一侧，氧离子与电子再次结合，与进入燃料电池的氧气反应生成水蒸气。
这个反应过程中释放出的电子可以通过外部电路流动，产生电流，完成电能转化。
二、SOFC的优点1.高效率：SOFC的能量转化效率可达50-70%，远高于燃烧发电等传统能源转化方式。
这主要归功于其高温操作，可在高达800-1000摄氏度的条件下工作，从而最大程度地提高热能利用效率。
2.低污染：SOFC的主要排放物为水蒸气，几乎不产生二氧化碳等温室气体以及大气污染物。
在实际应用中，SOFC还可以通过余热回收、碳捕集与封存等技术进一步减少污染排放。
3.多燃料适用性：与其他燃料电池技术相比，SOFC的燃料适用性更广泛，可以直接利用氢气、天然气、生物质气体等多种燃料。
4.长寿命：SOFC主要由陶瓷和金属材料组成，具有较高的耐久性。
相对于其他燃料电池类型，SOFC的寿命更长，可达数万小时。
三、SOFC的应用领域1.电力站：SOFC可以用作分散式发电系统，为工业和居民区提供电力。
其高效率和低污染使其成为清洁、可靠的能源供应方案。
2.燃料电池车辆：SOFC可以与汽车燃料电池系统相结合，提供高能量密度的能源，延长汽车续航里程，减少尾气排放。
3.制氢：SOFC可以通过水蒸气和电能反应制氢。
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固体氧化物燃料电池结构组成
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效能的能源转换设备。
其结构组成包括阴、阳极、电解质和集流板等四个关键部分。
下面我将分别介绍这些部分的作用和组成。
一、阳极
阳极是将燃料（如氢气、天然气、甲烷等）引入该电池的部分。
阳极是由稳定的陶瓷材料制成，以确保其具有良好的耐高温性、化学惰性和导电性。
在SOFC中，阳极的主要功能是将燃料导入电解质层，并在阳极和电解质层之间产生电子。
由于阳极必须保持足够的导电性和化学惰性，因此常常涂覆一层纯金属或合金。
二、电解质
SOFC 的电解质层是一种高温固体堆栈，可以使燃料气体在与氧气的反应中释放能量。
电解质层的特殊设计确保阴、阳极之间的离子（通常是氧离子）在燃料反应中迅速、稳定地传输。
电解质层是通过多种陶瓷材料（如 YSZ / ScSZ / LaCoeO / YDC等）制成的薄膜组成的，厚度只有数微米或更少。
三、阴极
阴极是SOFC中将氧气引入电池的部分。
阴极主要是由稳定的陶瓷材料制成，并涂覆了葡萄糖或稳定的萘基物质，以增加氧气的扩散点。
阴极的主要功能是将氧气引人电解质层，在此过程中，阳极产生的电子与氧气反应，产生电流和水分子。
四、集流板
集流板是介于阴极和阳极之间的部分，并且通常由金属材料制成。
集流板的主要功能是将电或热能从电池输出到负载或系统中。
以上是SOFC的四个主要组成部分。
其它有助于SOFC性能的辅助材料包括导极和膜金属。
当这些组件组装在一起时，它们可以形成由多个单元组成的堆叠结构，最终构成SOFC。
整个SOFC的设计和制造需要高科技的专业知识和技术，因此其成本昂贵。
但是，由于它的高效能和环保特性，SOFC仍然是一种可能的未来能源技术。