Basissamenstelling van brandstofcel met vaste oxide (SOFC)

De belangrijkste componenten van een enkelebrandstofcel zijn elektrolyt, anode, kathode en interconnect of bipolaire separator, zoals getoond in figuur 1.

Figuur 1 De belangrijkste componenten vanSOFC

De verschillende componentmaterialen die de brandstofcel vormen, moeten een goede stabiliteit hebben bij het oxideren en (of) verminderende atmosferen, inclusief chemische stabiliteit, kristalstabiliteit en stabiliteit van externe dimensies; chemische compatibiliteit met elkaar; geschikte elektrische geleidbaarheid en vergelijkbare thermische expansiecoëfficiënten. Tegelijkertijd moeten de elektrolyt en de interconnect volledig dicht zijn om de penetratie en het mengen van brandstofgas en zuurstof te voorkomen; De anode en de kathode moeten poreus zijn om de gaspenetratie in de reactieplaats te vergemakkelijken. De specifieke vereisten van de verschillende componenten van de brandstofcel worden weergegeven in tabel 1.

I.Elektrolytmaterialen

De elektrolyt inSOFCis de kern van de batterij en is over het algemeen gemaakt van oxidekeramiek, dat wil zeggen, gesinterde vaste oplossing elektrolyt - volledig gestabiliseerde ZRO2. De prestaties van de elektrolyt bepalen direct de bedrijfstemperatuur en de prestaties van de batterij. De weerstand van zuivere ZRO2 bij 1000 ℃ is 107 Ω/cm, wat dicht bij die van isolerende materialen ligt. Momenteel op ZRO2 gebaseerde vaste elektrolyten, die veel worden gebruikt inSOFC, gebruik bepaalde tweewaardige of drievoudige oxiden om ZRO2 te dope om de positie van zr^(4+) te vervangen door lage valent metaalionen. Dientengevolge heeft ZRO2 (fluorietstructuur) een stabiele fasestructuur van kamertemperatuur tot hoge temperatuur (1000 ℃), en meer o^(2-) vacatures worden erin gegenereerd vanwege ladingcompensatie, waardoor de ionische geleidbaarheid van ZRO2 tot 10^(-2) S/cm wordt uitgebreid en tegelijkertijd de oxygende drukbereik van de ionengeleiding vergroot. In deze gestabiliseerde ZRO2 worden o^(2-) vacatures gebruikt als een medium, dat wil zeggen dat het vacaturingsmechanisme wordt gebruikt om o^(2-) geleidbaarheid te vertonen. Momenteel is het meest voorkomende materiaal dat als elektrolyt wordt gebruikt, Y2O3-gestabiliseerde ZRO2 (afgekort als YSZ). De iongeleidbaarheid ervan verandert niet significant wanneer de partiële druk van de zuurstof met meer dan tien orden van grootte verandert. Momenteel is hoe je YSZ -film voor bereiden met geschikte prestaties een hotspot en moeilijkheid in het onderzoek van mensen.

II. Anodemateriaal

Het elektrodenmateriaal vanSOFCis allereerst een katalysator. Het anodemateriaal vereist een hoge elektronische geleidbaarheid, stabiliteit in een reducerende atmosfeer en een goede luchtpermeabiliteit. Daarom wordt platina meestal gebruikt, maar platina is duur. Het gebruik van metaalmaterialen zoals nikkel en kobalt zal thermische expansie-mismatch- en adhesieproblemen veroorzaken, en langdurige werking op hoge temperatuur zal ook de porositeit verminderen. De huidige onderzoeksrichting is om metaal keramiek te gebruiken als anodematerialen, en de meer ideale is Ni-composiet YSZ. De belangrijkste taak is om redelijke processen te bestuderen en Ni-ESZ-composietmaterialen met geschikte prestaties te bereiden.

Iii. Kathodemateriaal

De kathode van SOFC is vergelijkbaar met de anode en moet ook een poreuze elektronische geleidende film zijn. Omdat de kathode van de batterij werkt in een hoge temperatuur oxiderende atmosfeer en de rol speelt van het overbrengen van elektronen en het verzenden van zuurstof, zijn de vereisten voor het kathodemateriaal relatief streng. Het kathodemateriaal moet een hoge elektrische geleidbaarheid, oxidatieweerstand op hoge temperatuur en thermische stabiliteit met hoge temperatuur hebben en mag niet chemisch reageren met de elektrolyt. Het traditionele materiaal is metalen platina en de recente ontwikkeling is gedoteerd oxideramiek - lamno3. Als het kathodemateriaal van SOFC heeft een groot aantal experimenten bewezen dat La1-XSR XMNO3 het voorkeurskathodemateriaal is.

IV. Connectormateriaal

De elektrolyt- en elektrode-materialen vormen samen een drie-in-één enkele batterij-eenheid. Het vermogen van een enkele batterij is beperkt en kan slechts een spanning van ongeveer 1V genereren. Om een ​​krachtige batterij te verkrijgen, moeten verschillende enkele batterijen op verschillende manieren met elkaar worden verbonden (series, parallel en gemengd), waarvoor connectormaterialen en afdichtmaterialen nodig zijn. In SOFC moet de connectorcomponent een goede elektronische geleidbaarheid en stabiliteit hebben bij hoge temperaturen. Momenteel kunnen slechts enkele oxiden worden gebruikt als SOFC -connectormaterialen, zoals lanthanumchromaat (Lacro3) met een perovskietstructuur. Materialen met hoge temperatuur gelegeerd als SOFC-connectormaterialen zijn ook een onderzoekshotspot.

V. Afdichtmaterialen en anderen

Afdichtingsmaterialen worden gebruikt om elektrolytmaterialen en connectormaterialen op elkaar te verbinden. Ze moeten bestand zijn tegen hoge temperaturen. Onder de reactietemperatuur van de batterij (700 ~ 1000 ℃) worden ze over het algemeen bereid door glas-keramisch gemengd smelten. Bovendien zijn andere hulpmaterialen vereist, zoals korundbuizen als zuurstofgaskamers en kwartsbuizen als brandstofgaskamers. Ze hebben allemaal luchtinlaten en stopcontacten en moeten worden verzegeld en verbonden.

Vi. Enkele celassemblage

Grootschalige SOFC is een batterijpakket bestaande uit enkele cellen gestapeld in verschillende structuren. Momenteel zijn vier soorten batterijpakketten ontwikkeld, waaronder buisvormige, seriële, blok en plat. In praktische toepassingen zijn afzonderlijke brandstofcellen in serie verbonden en/of parallel aan een batterij om aan specifieke toepassingen te voldoen. In de enkele brandstofcel getoond in figuur 1.5 vormen de anode, elektrolyt en kathode een drie-in-één composietstructuur. In daadwerkelijk onderzoek en verwerking zijn vier verschillende structurele typen gevormd: afdichting minder buisvormig ontwerp, gesegmenteerd-cel-in-serie ontwerp, monolithisch ontwerp en flat-plaatontwerp. Het structurele diagram wordt getoond in figuur 2.

Figuur 2 Het structurele diagram van SOFC