固體氧化物燃料電池分類及結(jié)構(gòu)分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u22567固體氧化物燃料電池分類及結(jié)構(gòu)分析概述 1252161.1固體氧化物燃料電池分類 1310341.2固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu) 2132241.3SOFC電池原理 31.1固體氧化物燃料電池分類就電池的幾何形狀而言，最廣泛使用的SOFC配置為平面和管狀。平面結(jié)構(gòu)比管狀結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)具有更低的歐姆損耗，從而導(dǎo)致出色的電池組性能和更高的體積功率密度。但是，對(duì)氣密密封的需求和熱穩(wěn)定性問(wèn)題限制了平面SOFC的放大。作為平面設(shè)計(jì)的替代方案，管狀設(shè)計(jì)可輕松實(shí)現(xiàn)氣密密封。另外，它可以減少脆性或熱循環(huán)的問(wèn)題。另一方面，其流經(jīng)每個(gè)電池的長(zhǎng)路徑以及電池堆內(nèi)部的大空隙結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致低功率密度。為了同時(shí)保持管狀和平面設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)制造出陽(yáng)極支撐的扁平管狀電池，其具有高功率密度和氣體密封等優(yōu)點(diǎn)，在各種電池結(jié)構(gòu)中引起了越來(lái)越多的關(guān)注[5]。固體氧化物燃料電池根據(jù)結(jié)構(gòu)類型，可分為平板式結(jié)構(gòu)SOFC、管式結(jié)構(gòu)SOFC、扁平管式結(jié)構(gòu)SOFC。其結(jié)構(gòu)如表1-1所示。其中平板式固體氧化物燃料電池能量密度高、制造成本較低，但是存在密封困難的缺點(diǎn)；管式固體氧化物燃料電池密封難度低、電池連接簡(jiǎn)單、同時(shí)可以串并聯(lián)結(jié)合，但存在電流路徑長(zhǎng)、能量密度低、加工成本高等問(wèn)題[6]；扁平管式固體氧化物燃料電池的設(shè)計(jì)，使得其保持了管式固體氧化物燃料電池密封面積小的優(yōu)勢(shì)，易于氣體密封，降低堆的體積，另外，扁平管中間的脊骨支撐體，使得電極中的電子可以流過(guò)位于通道之間的肋，從而減小電極電流路徑長(zhǎng)度，此結(jié)構(gòu)可降低電池電阻，并增加電池功率密度[7]。扁平管式SOFC吸收了平板式和管式SOFC的優(yōu)點(diǎn)，但也存在工藝復(fù)雜，成品率低，制作成本較高的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)對(duì)扁平管式SOFC的研究很少，還處在初步探索階段。表1-1SOFC三種結(jié)構(gòu)對(duì)比及結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)結(jié)構(gòu)示意圖平板式能量密度高制造成本低密封困難管式密封難度低連接簡(jiǎn)單串并聯(lián)結(jié)合電流路徑長(zhǎng)輸出功率低加工成本高扁平管式輸出功率高易于密封堆體積小工藝復(fù)雜成品率低加工成本高1.2固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池具有夾層結(jié)構(gòu)，SOFC的電化學(xué)活性部分由陰極、電解質(zhì)和陽(yáng)極組成，另外還有連接體和密封材料等，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1-1所示。圖1-1陽(yáng)極支撐扁平管式固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)（a）、截面（b）示意圖電解質(zhì)功能層需要制備成致密的，電解質(zhì)是SOFC中電阻最大的一個(gè)部分，因此也是影響電池效率的關(guān)鍵部分，為了降低其電阻，一個(gè)途徑是從開(kāi)發(fā)新材料出發(fā)，尋找中低溫條件下具有高電導(dǎo)率且穩(wěn)定性良好的材料。另一個(gè)方向是將電解質(zhì)材料薄膜化，如運(yùn)用浸漬提拉法、超聲霧化噴涂法、流延法、沉積法等方法制備電解質(zhì)薄膜。目前進(jìn)入商業(yè)化的SOFC大部分都以YSZ為電解質(zhì)為主[8]。此外注意電性能和機(jī)械性能之間的平衡,例如，電池越寬越薄的時(shí)候，其表面積就會(huì)越大，電流傳導(dǎo)路徑也會(huì)變短，歐姆極化會(huì)由于電子路徑的縮短而減小，功率密度以及最終的單電池輸出功率就會(huì)增大。但是，這樣的設(shè)計(jì)中，薄的支撐體可能會(huì)削弱電池的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致電池在制造、堆放或操作過(guò)程中變形或斷裂，從而長(zhǎng)期穩(wěn)定性就會(huì)變差[9]。JoonguenPark[10]等人研究了FT-SOFC的氣體流動(dòng)、傳熱和電化學(xué)反應(yīng)，計(jì)算了熱量和質(zhì)量傳遞的控制方程，同時(shí)對(duì)開(kāi)路電壓、歐姆極化和接觸電阻等進(jìn)行了仿真，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，提出了扁平管式固體氧化物燃料電池堆的設(shè)計(jì)。1.3SOFC電池原理SOFC工作時(shí)，燃料氣流經(jīng)陽(yáng)極，氧化劑（氧氣或者空氣）流經(jīng)陰極，O2在陰極的催化作用下得到電子變成氧離子O2-，顯然,陰極處的O2-濃度比陽(yáng)極處的高很多，由于電解質(zhì)能夠傳導(dǎo)氧離子。因此，陰極處的O2-在濃差作用下穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陽(yáng)極/電解質(zhì)界面，在陽(yáng)極催化下，與燃料氣發(fā)生反應(yīng)生成產(chǎn)物[11]。在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，電子的傳遞是通過(guò)外電路實(shí)現(xiàn)的，所以此反應(yīng)只有當(dāng)外電路接通時(shí)才能完成。圖1-2是SOFC電池以H2為燃料氣的過(guò)程原理示意圖。陰極：O2+4e———>2O2—（1-1）陽(yáng)極：H2+O2——>H2O+2e—