金屬支撐型固體氧化物燃料電池作為一種高效、環保的電能轉化裝置,在能源領域的應用前景十分廣泛。具有高效率和低污染,尤其在高溫下的工作條件下,能夠顯著提升其熱電轉換效率。
金屬支撐型SOFC的結構可以簡單地分為五個主要部分:金屬支撐層、電解質層、陰極、陽極、以及密封層。這種設計與傳統的陶瓷支撐型SOFC不同,其核心在于將金屬材料作為支撐結構,取代了傳統的陶瓷支撐。
1. 金屬支撐層:金屬支撐層的作用是支撐整個燃料電池堆,同時提供機械強度和導電通道。金屬支撐層通常選用具有較好耐高溫性能和較高導電性的合金材料,如不銹鋼、鎳合金或鐵基合金。它們不僅能夠提供結構穩定性,還能有效地減輕整個電池的重量。
2. 電解質層:電解質層通常由氧化鋯(ZrO?)或其復合物(如釔穩定氧化鋯YSZ)制成,具有較高的氧離子導電性,能夠在電池的高溫工作環境下有效傳導氧離子。電解質層的厚度通常較薄,以減小電池的內阻。
3. 陰極和陽極:陰極(通常由鎳鈷氧化物或鈣鈦礦型氧化物組成)和陽極(通常由鎳-氧化鋯復合材料制成)分別為電池的正負極部分,起到催化反應和電荷傳導的作用。陰極通常負責將氧氣分子還原為氧離子,而陽極則負責氧離子和氫氣或碳氫化合物反應生成水或二氧化碳,釋放電子。
4. 密封層:為了防止氣體泄漏和保證電池的氣密性,金屬支撐型SOFC還需要采用密封材料(如陶瓷、玻璃等)來確保電池的長期穩定性和安全性。
金屬支撐型固體氧化物燃料電池的核心優勢在于其采用金屬材料作為支撐層。這種材料選擇具有以下幾個顯著特點:
1. 較低的熱膨脹系數:與傳統的陶瓷材料相比,金屬材料的熱膨脹系數通常較低,這使得金屬支撐型SOFC在高溫下能更好地避免由于熱膨脹不匹配而導致的結構失穩問題。尤其是金屬支撐能夠在一定程度上解決陶瓷材料易碎、脆弱的問題。
2. 較好的導電性能:金屬材料具有較好的導電性,可以減少電池內的電阻,提升整體能效。金屬支撐層不僅能夠支撐電池結構,還能傳導電流,從而提高了電池的功率輸出。
3. 機械性能:金屬支撐層的機械強度遠高于陶瓷支撐,能夠在長時間的使用過程中承受更多的物理應力,延長電池的使用壽命。
4. 耐高溫性和抗腐蝕性:現代金屬材料(如不銹鋼和鎳合金)具有較高的耐高溫性和較強的抗腐蝕性,可以在燃料電池高溫工作環境中長期穩定運行。雖然金屬在高溫下可能會發生氧化現象,但通過表面涂層和合金化處理,能夠有效延緩這一過程。