Osnovna sestava gorivne celice s trdnim oksidom (SOFC)

Glavne komponente enega samegagorivna celica so elektrolit, anoda, katoda in medsebojno povezovanje ali bipolarni separator, kot je prikazano na sliki 1.

Slika 1 glavne komponenteSOFC

Različni komponentni materiali, ki sestavljajo gorivno celico, bi morali imeti dobro stabilnost pri oksidaciji in (ali) zmanjšanje atmosfere, vključno s kemično stabilnostjo, kristalno stabilnostjo in stabilnostjo zunanjih dimenzij; kemična združljivost med seboj; ustrezna električna prevodnost in podobni koeficienti toplotne ekspanzije. Hkrati morata biti elektrolit in medsebojno povezovanje popolnoma gosta, da se prepreči prodor in mešanje gorivnega plina in kisika; Anoda in katoda morata biti porozna, da olajšata prodor plina na reakcijsko mesto. Specifične zahteve različnih komponent gorivne celice so prikazane v tabeli 1.

I.Elektrolitmateriali

Elektrolit vSOFCje jedro baterije in je na splošno izdelano iz oksidne keramike, torej sintrane trdne raztopine elektrolit - popolnoma stabiliziran Zro2. Učinkovitost elektrolita neposredno določa delovno temperaturo in delovanje baterije. Upornost čistega Zro2 pri 1000 ℃ je 107 Ω/cm, kar je blizu izolacijskega materiala. Trenutno trdni elektroliti na osnovi Zro2, ki se pogosto uporabljajo vSOFC, uporabite določene dvovalentne ali trivalentne okside, da dopi zro2 zamenjate položaj Zr^(4+) z nizko valentnimi kovinskimi ioni. Kot rezultat, ima Zro2 (fluoritna struktura) stabilno fazno strukturo od sobne temperature do visoke temperature (1000 ℃), v njej pa nastane več o^(2-) prostih mest zaradi kompenzacije naboja, s čimer se poveča ionska prevodnost zro2 na 10^(-2) s/cm in istočasno širitev oksidanskega tlaka. V tem stabiliziranem zro2 se prosta delovna mesta O^(2-) uporabljajo kot medij, to je, da se mehanizem prostega delovnega mesta uporablja za prikaz prevodnosti o^(2-). Trenutno je najpogostejši material, ki se uporablja kot elektrolit, zro2, ki je stabiliziran z Y2O3 (skrajšano kot YSZ). Njegova ionska prevodnost se ne spreminja bistveno, ko se delni tlak kisika spremeni za več kot deset vrst. Trenutno je, kako pripraviti film YSZ s primerno predstavo, vroča točka in težave pri raziskavah ljudi.

Ii. Anodni material

Elektrodni materialSOFCje najprej katalizator. Anodni material zahteva visoko elektronsko prevodnost, stabilnost v redukcijski atmosferi in dobro prepustnost zraka. Zato se običajno uporablja platina, vendar je platina draga. Uporaba kovinskih materialov, kot sta nikelj in kobalt, bo povzročila neusklajenost toplotne ekspanzije in adhezijske težave, dolgoročno visokotemperaturno delovanje pa bo tudi zmanjšalo njeno poroznost. Trenutna raziskovalna smer je uporaba kovinske keramike kot anodnih materialov, bolj idealen pa je Ni-Composit YSZ. Glavna naloga je preučiti razumne procese in pripraviti kompozitne materiale Ni -sz z ustreznimi zmogljivostmi.

Iii. Katodni material

Katoda SOFC je podobna anodi in mora biti tudi porozni elektronski prevodni film. Ker katoda baterije deluje v visokotemperaturni oksidacijski atmosferi in igra vlogo prenosa elektronov in oddajanja kisika, so zahteve za katodni material razmeroma stroge. Katodni material mora imeti visoko električno prevodnost, visokotemperaturno oksidacijsko odpornost in visokotemperaturno toplotno stabilnost in ne sme kemično reagirati z elektrolitom. Tradicionalni material je kovinska platina, nedavni razvoj pa je dopirana oksidna keramika - Lamno3. Kot katodni material SOFC je veliko število poskusov dokazalo, da je La1-XSR XMNO3 najprimernejši katodni material.

Iv. Priključni material

Materiali elektrolita in elektrode skupaj tvorijo tri v enem samem baterijske enote. Moč ene same baterije je omejena in lahko ustvari le napetost približno 1V. Da bi pridobili baterijo z visoko močjo, je treba na različne načine povezati več posameznih baterij (serij, vzporedno in mešano), ki zahteva priključne materiale in tesnjene materiale. V SOFC je potrebna komponenta konektorja, da ima dobro elektronsko prevodnost in stabilnost pri visokih temperaturah. Trenutno lahko kot materiali SOFC priključka uporabimo le nekaj oksidov, kot je Lanthanum Chromat (LACRO3) s perovskitno strukturo. Visokotemperaturne zlitinske materiale, ki se uporabljajo kot materiali SOFC priključkov, so tudi raziskovalna točka.

V. Tesnilni materiali in drugi

Tesnilni materiali se uporabljajo za povezovanje elektrolitnih materialov in priključnih materialov skupaj. Morajo biti odporni na visoke temperature. Pod reakcijsko temperaturo akumulatorja (700 ~ 1000 ℃) jih običajno pripravimo s stekleno-keramično mešano taljenjem. Poleg tega so potrebni drugi pomožni materiali, kot so korundijske cevi, kot so komore za kisikove pline in kremenčeve cevi kot komore za gorivo. Vsi imajo zračne vložke in prodajalne, zato jih je treba zatesniti in povezati.

Vi. Sklop posameznih celic

Obsežni SOFC je baterija, sestavljena iz posameznih celic, zloženih v različne strukture. Trenutno so razvite štiri vrste baterijskih paketov, vključno s cevastimi, serijskimi, bloki in ravnimi. V praktičnih aplikacijah so posamezne gorivne celice povezane serijsko in/ali vzporedno, da tvorijo baterijo, da ustrezajo določenim aplikacijam. V enojni gorivni celici, prikazani na sliki 1.5, anoda, elektrolit in katoda tvorijo kompozitno strukturo s tremi v enem. V dejanskih raziskavah in obdelavi so nastale štiri različne strukturne vrste: tesnilo manj cevaste zasnove, segmentirane oblike serije v seriji, monolitno oblikovanje in oblikovanje plošč. Strukturni diagram je prikazan na sliki 2.

Slika 2 Strukturni diagram SOFC