固体氧化物燃料电池(2)

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的作用。

SOFC为全固体结构，其主要结构有：平板式、管式、瓦楞式、套管式和热交换一体化结构式，

① 平板式SOFC电池是目前最主流的SOFC类型电池，它是将阳极/YSZ固体电解质/阴极烧结成一体，形成三合一结构，简称PEN平板，PEN平板之间由双极连接板连接，双极板设有内导气槽，这样就形成了PEN平板相互串联，空气和燃料气体分别从导气槽中交叉流过。平板式SOFC电池具有造价低、电流流程短、采集均匀、电池功率密度高的优点，但同时存在着封闭困难、热循环性能差等缺点。平板式SOFC 既适合于小型分散发电(1～10 kW) ,也在大型固定发电领域展示着广阔的应用前景.

② 管式SOFC是由多个管式的单电池串联或并联组装成的电池组。每个单电池从内到外分别是支撑管、阴极、固体电解质膜和阳极。其中支撑管是由多孔氧化钇稳定的氧化锆为原料制成的，起着支撑作用并允许空气通过并到达空气电极。管式SOFC具有电池单管组装相对简单，且可以串联或并联成大规模的电池系统。但是管式SOFC的制备工艺复杂，造价高。

平板式SOFC的工作原理：

-2-阳极反应：O2+4e→ 2O

阴极反应: 2O2-+2H2 →H2O+4e-

总反应：2H2 + O2 →2H2O，

在电池中，氧离子在电池两侧氧浓度差驱动力的作用下，通过电解质中的氧空位定向移动，在阳极上与燃料进行氧化反应。

若燃料为天然气，则SOFC的工作原理为：

阳极反应：O2+4e-→ 2O2-

阴极反应: 2O2-+CH4 →2H2O+C02+8e-

总反应：CH4 + 2O2 →2H2O+CO2

SOFC电池的材料：

⑴固体氧化物电解质

SOFC的关键是固体电解质，固体电解质性能的好坏将决定燃料电池性能的优劣。目前，处于SOFC的固体氧电解质材料主要有萤石结构和钙钛矿结构两种类型。

萤石结构的氧化物中以ZrO2 BiO3、GeO2为主。氧化锆基电解质是研究的最多也应用的最广的电解质材料，特别是Y2O3完全稳定化ZrO2(YSZ)，是固体氧化物燃料电池最常用的电解质。其中，Y2O3的含量一般为8～10% ，Y2O3主要起稳定结构和提高氧离子空位的作用。纯的ZrO2不能用作电解质，主要由于其离子导电性太差。纯的CeO2从室温至熔点具有与YSZ相同的萤石结构，不需进行稳定化。掺杂的CeO2具有比YSZ高的离子电导率、低的活化能，极有希望成为SOFC的电解质材料。但CeO2基材料的离子导电性范围较窄，在还原气氛下Ce4部分将被还原为Ce3+，而产生电子电导率，从而降低电池能量转换效率。因此必须把CeO2基材料的离子电导范围扩大，在还原气氛下尽量降低电子电导，这样他才能作为SOFC电解质材料。各种固体电解质材料中，Bi2O3基电解质材料具有最高的离子导电性，其电导率比YSZ高一个数量级，且与ZrO2电解质相比，与电极之间的界面电阻更小。但是Bi2O3基电解质材料存在以下两方面的缺点：一是Bi2O3基电解质材料在低氧分压下极易被还原，在燃料两侧还原出的细小金属铋微粒使表面变黑，减小了离子电导率。另外掺杂的Bi2O3基电解质材料在低于700℃时，呈热力学不稳定状态，经长时间退火后，会有立方菱方相变出现，而菱方相导电性能很差。