Grunnleggende sammensetning av fast oksidbrenselcelle (SOFC)

Hovedkomponentene i enenkelt brenselcelleer elektrolytt, anOde, katode og sammenkobling eller bipolar separator, som vist i figur 1.5.

De forskjellige komponentmaterialene som utgjørbrenselcelleskal ha god stabilitet i oksiderende og (eller) redusere atmosfærer, inkludert kjemisk stabilitet, krystallstabilitet og stabilitet av ytre dimensjoner; kjemisk kompatibilitet med hverandre; Passende elektrisk ledningsevne og lignende termiske ekspansjonskoeffisienter. Samtidig,Elektrolyttog sammenkoblingen er pålagt å være helt tett for å forhindre penetrering og blanding av drivstoffgass og oksygen; Anoden og katoden skal være porøs for å lette gassinntrengning til reaksjonsstedet. De spesifikke kravene til de forskjellige komponentene i brenselcellen er vist i tabell 1.6.

I. Elektrolyttmaterialer

Elektrolytten iSofcer kjernen i batteriet, og er vanligvis laget av oksydkeramikk, det vil si sintret fast løsning elektrolytt-fullstendig stabilisert ZRO2. Ytelsen til elektrolytten bestemmer direkte driftstemperaturen og ytelsen til batteriet.

Resistiviteten til ren ZRO2 ved 1000 ℃ er 107 Ω/cm, som er nær den for isolerende materialer. For tiden bruker faste elektrolytter basert på ZRO2, som er mye brukt i SOFC, visse divalente eller trivalente oksider for å dope ZRO2 for å erstatte posisjonen til Zr^(4+) med lav-valent metallioner. Som et resultat har ikke bare ZRO2 (fluorstruktur) en stabil fasestruktur fra romtemperatur til høy temperatur (1000 ℃), men også mer o^(2-) ledige stillinger genereres i den på grunn av ladingskompensasjon, og øker dermed den ioniske konduktiviteten til ZRO2 til 10^(-2) s/cm, og på samme tid utvidet den okkyen delen. I denne stabiliserte Zro2 brukes ledige stillinger som et medium, det vil si at ledighetsmekanismen brukes til å vise o^(2-) konduktivitet.

For tiden er det vanligste materialet som brukes som elektrolytt, Y2O3-stabilisert ZRO2 (forkortet som YSZ), hvis ionekonduktivitet ikke endres betydelig når oksygen-delvis trykk endres med mer enn ti størrelsesordrer. For tiden er hvordan du forbereder YSZ -film med passende ytelse et hot spot og vanskeligheter i folks forskning.

Ii. Anodemateriale

Elektrodematerialet til SOFC er først og fremst akatalysator. Anodematerialet krever høy elektronisk ledningsevne, stabilitet i en reduserende atmosfære og god luftpermeabilitet. Derfor brukes platina vanligvis, men platina er dyrt. Bruken av metallmaterialer som nikkel og kobolt vil forårsake termisk ekspansjonsmatch og vedheftingsproblemer, og langvarig drift av høy temperatur vil også redusere porøsiteten. Den nåværende forskningsretningen er å bruke metall keramikk som anodematerialer, og den mer ideelle er Ni-kompositt YSZ. Hovedoppgaven er å studere rimelige prosesser og forberede NI-ESZ komposittmaterialer med passende ytelse.

Iii. Katodemateriale

Katoden tilSofcligner på anoden og bør også være en porøs elektronisk ledende film. Siden katoden til batteriet fungerer i en oksidasjonsmessig atmosfære med høy temperatur og spiller rollen som å overføre elektroner og overføre oksygen, er kravene til katodematerialet relativt strenge. Katodematerialet skal ha høy elektrisk ledningsevne, oksidasjonsmotstand med høy temperatur og termisk stabilitet med høy temperatur, og skal ikke reagere kjemisk med elektrolytten. Det tradisjonelle materialet er metallplatina, og den nylige utviklingen er dopet oksydkeramikk - lamno3. Som katodematerialet til SOFC har et stort antall eksperimenter bevist at LA1-XSR XMNO3 er det foretrukne katodematerialet.

IV. Kontaktmateriale

Elektrolytten og elektrodematerialene danner til sammen en tre-i-ett-batterienhet. Kraften til et enkelt batteri er begrenset og kan bare generere en spenning på omtrent 1V. For å få en batteripakke med høy effekt, må flere enkeltbatterier kobles sammen på forskjellige måter (serie, parallelt og blandet), som krever tilkoblingsmaterialer og tetningsmaterialer. I SOFC er kontaktkomponenten påkrevd for å ha god elektronisk konduktivitet og stabilitet ved høye temperaturer. For tiden kan bare noen få oksider brukes som SOFC -kontaktmaterialer, for eksempel lantankromat (LACRO3) med en perovskittstruktur. Legeringsmaterialer med høy temperatur som brukes som SOFC-kontaktmaterialer er også en forskningshotspot.

V. Tetningsmaterialer og andre

Tetningsmaterialer brukes til å koble til elektrolyttmaterialer og tilkoblingsmaterialer sammen. De er pålagt å være motstandsdyktige mot høye temperaturer. Under batterireaksjonstemperaturen (700 ~ 1000 ℃) blir de vanligvis utarbeidet av glassceramisk blandet smelting. I tillegg er andre hjelpematerialer påkrevd, for eksempel korundrør som oksygengassekamre og kvartsrør som drivstoffgasskamre. De har alle luftinntak og utsalgssteder og må forsegles og kobles sammen.

Vi. Enkeltcellesamling

Storskala SOFC er en batteripakke sammensatt av enkeltceller stablet i forskjellige strukturer. Foreløpig er det utviklet fire typer batteripakker, inkludert rørformet, seriell, blokkering og flat. I praktiske bruksområder er individuelle brenselceller koblet i serie og/eller parallelt for å danne en batteripakke for å oppfylle spesifikke applikasjoner.

I den enkelt brenselcellen vist i figur 1.5 danner anoden, elektrolytten og katoden en tre-i-ett-komposittstruktur. I faktisk forskning og prosessering er det dannet fire forskjellige strukturelle typer: tetning mindre rørformet design, segmentert celle-i-serie design, monolitisk design og flatplate-design. Det strukturelle skjematiske diagrammet er vist i figur 1.6.