Composition de base de la pile à combustible à oxyde solide (SOFC)

Les principaux composants d'un seulpile à combustible sont des électrolyte, de l'anode, de la cathode et de l'interconnexion ou du séparateur bipolaire, comme le montre la figure 1.

Figure 1 Les principaux composants deSofc

Les différents matériaux composants qui composent la pile à combustible doivent avoir une bonne stabilité dans l'oxydation et (ou) la réduction des atmosphères, y compris la stabilité chimique, la stabilité des cristaux et la stabilité des dimensions externes; compatibilité chimique les uns avec les autres; Conductivité électrique appropriée et coefficients d'expansion thermique similaires. Dans le même temps, l'électrolyte et l'interconnexion doivent être complètement denses pour empêcher la pénétration et le mélange de gaz carburant et d'oxygène; L'anode et la cathode doivent être poreuses pour faciliter la pénétration du gaz au site de réaction. Les exigences spécifiques des différents composants de la pile à combustible sont présentées dans le tableau 1.

JE.Électrolytematériels

L'électrolyte dansSofcest le noyau de la batterie, et est généralement en céramique d'oxyde, c'est-à-dire le ZRO2 entièrement stabilisé en solution solide et entièrement stabilisée. Les performances de l'électrolyte déterminent directement la température de fonctionnement et les performances de la batterie. La résistivité du zro2 pur à 1000 ℃ est de 107 Ω / cm, qui est proche de celle des matériaux isolants. À l'heure actuelle, des électrolytes solides à base de ZRO2, qui sont largement utilisés dansSofc, utilisez certains oxydes divalents ou trivalents pour doper zro2 pour remplacer la position de Zr ^ (4+) par des ions métalliques à faible valeur. En conséquence, ZRO2 (structure de fluorite) a une structure de phase stable de la température ambiante à une température élevée (1000 ℃), et plus d'O ^ (2-) vacances sont générées en raison de la compensation de charge, augmentant ainsi la conductivité ionique de ZRO2 à 10 ^ (- 2) S / cm, et en même temps élargissant la plage partielle d'oxygène de la conduite ionique ionique. Dans ce ZRO2 stabilisé, O ^ (2) sont utilisés comme médium, c'est-à-dire que le mécanisme de vacance est utilisé pour présenter une conductivité o ^ (2). À l'heure actuelle, le matériau le plus courant utilisé comme électrolyte est le ZRO2 stabilisé Y2O3 (abrégé sous forme de YSZ). Sa conductivité ionique ne change pas de manière significative lorsque la pression partielle de l'oxygène change de plus de dix ordres de grandeur. À l'heure actuelle, comment préparer le film YSZ avec des performances appropriées est un point chaud et des difficultés dans la recherche des gens.

Ii Matériau d'anode

Le matériau d'électrode deSofcest d'abord un catalyseur. Le matériau d'anode nécessite une conductivité électronique élevée, une stabilité dans une atmosphère réductrice et une bonne perméabilité de l'air. Par conséquent, le platine est généralement utilisé, mais le platine coûte cher. L'utilisation de matériaux métalliques tels que le nickel et le cobalt entraînera des problèmes de décalage et d'adhésion thermique, et un fonctionnement à long terme à haute température réduira également sa porosité. La direction de recherche actuelle consiste à utiliser la céramique métallique comme matériaux d'anode, et le plus idéal est le YSZ Ni-Composite. La tâche principale consiste à étudier des processus raisonnables et à préparer des matériaux composites NI-USZ avec des performances appropriées.

Iii. Matériau de cathode

La cathode de SOFC est similaire à l'anode et devrait également être un film conducteur électronique poreux. Étant donné que la cathode de la batterie fonctionne dans une atmosphère oxydante à haute température et joue le rôle du transfert d'électrons et de la transmission de l'oxygène, les exigences pour le matériau de la cathode sont relativement strictes. Le matériau de la cathode doit avoir une conductivité électrique élevée, une résistance à l'oxydation à haute température et une stabilité thermique à haute température et ne pas réagir chimiquement avec l'électrolyte. Le matériau traditionnel est le platine métallique, et le développement récent est la céramique à oxyde dopé - Lamno3. En tant que matériau de cathode de SOFC, un grand nombre d'expériences ont prouvé que LA1-XSR XMNO3 est le matériau de cathode préféré.

Iv. Matériau de connecteur

Les matériaux d'électrolyte et d'électrode forment ensemble une unité de batterie unique trois en un. La puissance d'une seule batterie est limitée et ne peut générer qu'une tension d'environ 1 V. Afin d'obtenir une batterie haute puissance, plusieurs batteries simples doivent être connectées ensemble de différentes manières (série, parallèle et mélangée), qui nécessite des matériaux de connecteur et des matériaux d'étanchéité. Dans SOFC, le composant du connecteur doit avoir une bonne conductivité électronique et stabilité à des températures élevées. À l'heure actuelle, seuls quelques oxydes peuvent être utilisés comme matériaux de connecteur SOFC, tels que le chromate de lanthane (Lacro3) avec une structure de pérovskite. Les matériaux en alliage à haute température utilisés comme matériaux de connecteur SOFC sont également un hotspot de recherche.

V. Matériaux d'étanchéité et autres

Les matériaux d'étanchéité sont utilisés pour connecter ensemble les matériaux électrolytiques et les matériaux de connecteur. Ils doivent être résistants aux températures élevées. Sous la température de réaction de la batterie (700 ~ 1000 ℃), ils sont généralement préparés par la fusion mélangée en verre-céramique. De plus, d'autres matériaux auxiliaires sont nécessaires, tels que des tubes en corundum comme des chambres à gaz d'oxygène et des tubes en quartz comme chambres à gaz de carburant. Ils ont tous des entrées d'air et des prises et doivent être scellées et connectées.

Vi. Assemblage unique

Sofc à grande échelle est une batterie composée de cellules uniques empilées dans diverses structures. Actuellement, quatre types de batteries ont été développés, notamment tubulaire, en série, en bloc et à plat. Dans les applications pratiques, les piles à combustible individuelles sont connectées en série et / ou en parallèle pour former une batterie pour répondre aux applications spécifiques. Dans la pile à combustible unique illustrée à la figure 1.5, l'anode, l'électrolyte et la cathode forment une structure composite trois en un. Dans la recherche et le traitement réels, quatre types structurels différents ont été formés: sceller la conception tubulaire moins, la conception de la série à cellules segmentées, la conception monolithique et la conception de plaques plates. Le diagramme structurel est illustré à la figure 2.

Figure 2 Le diagramme structurel de Sofc