固体氧化燃料电池之新式电解质及阳极材料

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1、固体氧化燃料电池之新式电解质及阳极材料第一章绪论1.1引言据估计，世界能耗正以每年5%的速度增长，而占世界目前能耗80%的化石燃料（如煤炭、石油、天然气）的最终可釆量如换算成原煤却仅为33730亿吨，预计只够人类再使用一二百年。此外，这些化石能源的使用会产生大量温室气体如C02，造成温室效应；同时，还会产生二氧化硫，氮氧化合物和烟尘等污染物，威胁全球的生态环境。因此，为了人类文明的进步和经济社会的可持续发展，开发利用可再生能源，己成为世界上大多数国家的重要战略选择，许多国家已把发展可再生能源作为缓解能源供应矛盾、应对气

2、候变化的一项重要措施。所谓新能源，一般是指基于新技术而加以开发和利用的可再生能源，其包括太阳能、生物质能、风能及水能等；此外还有氢能、沼气、甲醇、酒精等。总体说来，这些新能源具备资源丰富、分布广、使用清洁等特点。其中，氢能作为一种清洁、高效、安全且可持续的新能源，一直被视为21世纪最具发展潜力的能源。相应的，以氢能为主要能源的燃料电池（flielcell)技术的发展也日益受到各国政府和科研人员的关注和重视，燃料电池的研宄和应用正以极快的速度在世界范围内蓬勃发展。1.2燃料电池简介燃料电池是一种能够将燃料与氧化剂中的化学

3、能直接转化为电能的能量转换装置，由于期间不经过燃烧过程，因此不受卡诺循环的限制，具有较高的能量转换效率。目前，燃料电池系统的燃料化学能一电能的转换效率一般为45%至60%,而火力发电及核电的效率大都在30%至40%。此外，从使用寿命上讲，普通的锋猛干电池是事先将化学反应物存放于电池内部的，电池向外供电时，反应物则被不断消耗而得不到补充，一旦耗尽，电池就不能再继续供电；对于蓄电池，尽管其能够多次使用，但前提也是必须充入反向电流使其反应物质得到恢复，才能继续工作；而燃料电池则不同，由于燃料和氧化剂都是从外部输入，因而只要保

4、证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可源源不断地向外供电。早在1838年，瑞士科学家ChristianFriedrichSchonbein就率先提出了燃料电池的工作原理。据此，时_一年之后，英国的embraneFuelCell,PEMFC)、磷酸型燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC)、溶融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonFuelCell，MCFC)及固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell,SOFC)。表1.1总结了这五类燃料电池的主要特点[2]。第二章基于离子浸渍法的

5、SOFG纳米阳极2.1引言如前所述，在SOFC阳极侧发生的主要是燃料气的氧化反应及电子的传导过程，因此作为阳极材料，应该具备对燃料气的氧化反应的催化活性、与电解质材料良好的匹配性和稳定性，以及足够高的电子导电率等。目前SOFC中最常用的阳极为镇基阳极，一般是将金属Ni与YSZ、DCO等电解质材料相复合构成金属陶瓷阳极，既实现了离子-电子的混合导电，同时也降低了阳极的热膨胀系数，与电解质材料更加匹配[1]。这种镇基复合阳极在使用氢气作为燃料时能够表现出极其优越的性能；不过当使用碳氢燃料进行高温操作时，由于Ni对碳氢化合物

6、的裂解具有极强的催化活性，容易在阳极上产生碳沉积。大量的碳沉积在Ni的表面，覆盖了其活性位，导致电池性能的下降，同时部分碳扩散进入Ni的晶格内，过饱和后析出，也会破坏阳极结构[2]。因此，要使镍基阳极能够在碳氢燃料气氛下工作，就必须通过一定手段对传的统镇基阳极进行改性修饰，而离子浸渍法就是这样一种行之有效的修饰工艺。离子浸渍法是一项常用于制备多相催化剂的技术，近年来也逐渐用于SOFC的电极制备，尤其是当用于阳极制备时，往往能够在电池性能提高的同时，又能有效地抑制积碳现象[3]。离子浸渍法制备SOFC电极的具体方法是将金

7、属离子以溶液的形式浸渍到多孔电极的支撑体中，经过热处理（<1000°C)使之转变为相应的金属氧化物或者金属粒子附着在支撑体颗粒的表面。由于热处理的温度不高，所以浸渍粒子的尺寸通常控制在纳米量级。目前离子浸渍法用于制备SOFC纳米结构的阳极主要是通过三种方式：浸渍阳极催化剂，浸渍金属或贵金属以及浸渍离子导体。本章将重点论述近年来文献中有关采用离子浸渍法制备SOFC纳米阳极的研究，并结合本实验室的诸多研究成果，进行归纳和总结。2.2复合阳极和纳米阳极的理论三相线长度对比在阳极发生的电化学反应是一个多相反应，燃

8、料气扩散到阳极，与氧离子载体（电解质中的氧空位或间隙氧）输送来的氧离子发生电化学氧化反应，产生的电子和产物又要及时输送出阳极，因此反应活性区是一个多相界面，即通常所谓的三相线（three-phaseboundary,TPB)。三相线为金属离子网络、电解质网络和开孔相合的界面线，组成渗透通道来传输电子、氧离子及气体，因而是电化学氧化