Thành phần cơ bản của pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC)

Các thành phần chính của mộtpin nhiên liệu đơnlà chất điện phân, anOde, catốt và phân tách kết nối hoặc lưỡng cực, như trong Hình 1.5.

Các vật liệu thành phần khác nhau tạo nênpin nhiên liệuNên có sự ổn định tốt trong oxy hóa và (hoặc) giảm khí quyển, bao gồm sự ổn định hóa học, độ ổn định tinh thể và sự ổn định của các kích thước bên ngoài; Khả năng tương thích hóa học với nhau; Độ dẫn điện thích hợp và các hệ số giãn nở nhiệt tương tự. Đồng thời,chất điện giảivà kết nối được yêu cầu phải hoàn toàn dày đặc để ngăn chặn sự thâm nhập và trộn khí nhiên liệu và oxy; Anode và cực âm nên xốp để tạo điều kiện cho sự xâm nhập của khí vào vị trí phản ứng. Các yêu cầu cụ thể của các thành phần khác nhau của pin nhiên liệu được thể hiện trong Bảng 1.6.

I. Vật liệu điện phân

Các chất điện phân trongSOFClà lõi của pin, và thường được làm bằng gốm oxit, nghĩa là, giải pháp rắn thiêu kết ZRO2 ổn định điện phân. Hiệu suất của chất điện phân trực tiếp xác định nhiệt độ hoạt động và hiệu suất của pin.

Điện trở suất của ZRO2 tinh khiết ở 1000 ℃ là 107 ω/cm, gần với vật liệu cách điện. Hiện tại, các chất điện giải rắn dựa trên ZRO2, được sử dụng rộng rãi trong SOFC, sử dụng một số oxit hóa trị hai hoặc hóa trị ba để thay thế vị trí của Zr^(4+) bằng các ion kim loại có giá trị thấp. Kết quả là, ZRO2 (cấu trúc fluorite) không chỉ có cấu trúc pha ổn định từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ cao (1000), mà còn nhiều chỗ trống o^(2-) được tạo ra trong đó do bù điện tích, do đó tăng độ dẫn ion của ZRO2 đến 10^(-2). Trong ZRO2 ổn định này, các vị trí trống O^(2-) được sử dụng như một phương tiện, nghĩa là cơ chế trống được sử dụng để hiển thị độ dẫn o^(2-).

Hiện tại, vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm chất điện phân là ZRO2 ổn định Y2O3 (viết tắt là YSZ), có độ dẫn ion không thay đổi đáng kể khi áp suất phần oxy thay đổi hơn mười bậc độ lớn. Hiện tại, làm thế nào để chuẩn bị phim YSZ với hiệu suất phù hợp là một điểm nóng và khó khăn trong nghiên cứu của mọi người.

Ii. Vật liệu cực dương

Vật liệu điện cực của SOFC trước hết làchất xúc tác. Vật liệu cực dương đòi hỏi độ dẫn điện tử cao, sự ổn định trong bầu không khí giảm và tính thấm không khí tốt. Do đó, bạch kim thường được sử dụng, nhưng bạch kim đắt tiền. Việc sử dụng các vật liệu kim loại như niken và coban sẽ gây ra các vấn đề không phù hợp và bám dính nhiệt độ, và hoạt động ở nhiệt độ cao dài hạn cũng sẽ làm giảm độ xốp của nó. Hướng nghiên cứu hiện tại là sử dụng gốm kim loại làm vật liệu cực dương, và phương pháp lý tưởng hơn là Ni-composit YSZ. Nhiệm vụ chính là nghiên cứu các quy trình hợp lý và chuẩn bị các vật liệu composite NI-ASZ với hiệu suất phù hợp.

Iii. Vật liệu catốt

Cực âm củaSOFCtương tự như cực dương và cũng nên là một màng dẫn điện điện tử xốp. Do cực âm của pin hoạt động trong bầu không khí oxy hóa nhiệt độ cao và đóng vai trò truyền các electron và truyền oxy, các yêu cầu đối với vật liệu catốt tương đối nghiêm ngặt. Vật liệu catốt phải có độ dẫn điện cao, điện trở oxy hóa nhiệt độ cao và độ ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao, và không nên phản ứng hóa học với chất điện phân. Vật liệu truyền thống là bạch kim kim loại, và sự phát triển gần đây là gốm oxit pha tạp - Lamno3. Là vật liệu catốt của SOFC, một số lượng lớn các thí nghiệm đã chứng minh rằng LA1-XSR XMNO3 là vật liệu catốt ưa thích.

Iv. Vật liệu kết nối

Các vật liệu điện phân và điện cực cùng nhau tạo thành một đơn vị pin đơn ba trong một. Sức mạnh của một pin duy nhất bị hạn chế và chỉ có thể tạo ra điện áp khoảng 1V. Để có được một bộ pin năng lượng cao, một số pin đơn phải được kết nối với nhau theo nhiều cách khác nhau (sê-ri, song song và hỗn hợp), yêu cầu vật liệu kết nối và vật liệu niêm phong. Trong SOFC, thành phần kết nối được yêu cầu phải có độ dẫn điện tử và độ ổn định tốt ở nhiệt độ cao. Hiện tại, chỉ có một vài oxit có thể được sử dụng làm vật liệu kết nối SOFC, chẳng hạn như lanthanum cromat (lacro3) với cấu trúc perovskite. Vật liệu hợp kim nhiệt độ cao được sử dụng làm vật liệu kết nối SOFC cũng là một điểm nóng nghiên cứu.

V. Vật liệu niêm phong và những người khác

Vật liệu niêm phong được sử dụng để kết nối vật liệu điện phân và vật liệu kết nối với nhau. Chúng được yêu cầu phải chống lại nhiệt độ cao. Dưới nhiệt độ phản ứng pin (700 ~ 1000), chúng thường được điều chế bằng cách tan chảy bằng thủy tinh. Ngoài ra, các vật liệu phụ trợ khác được yêu cầu, chẳng hạn như ống corundum dưới dạng buồng khí oxy và ống thạch anh làm buồng khí nhiên liệu. Tất cả đều có cửa không khí và cửa ra và cần được niêm phong và kết nối.

Vi. Lắp ráp tế bào đơn

SOFC quy mô lớn là một bộ pin bao gồm các tế bào đơn lẻ được xếp chồng lên nhau trong các cấu trúc khác nhau. Hiện tại, bốn loại pin đã được phát triển, bao gồm hình ống, nối tiếp, khối và phẳng. Trong các ứng dụng thực tế, các pin nhiên liệu riêng lẻ được kết nối theo chuỗi và/hoặc song song để tạo thành một bộ pin để đáp ứng các ứng dụng cụ thể.

Trong tế bào nhiên liệu đơn được hiển thị trong Hình 1.5, cực dương, chất điện phân và catốt tạo thành cấu trúc tổng hợp ba trong một. Trong nghiên cứu và xử lý thực tế, bốn loại cấu trúc khác nhau đã được hình thành: thiết kế ít hình ống, thiết kế sê-ri tế bào phân đoạn, thiết kế nguyên khối và thiết kế tấm phẳng. Sơ đồ cấu trúc được thể hiện trong Hình 1.6.