（凝聚态物理专业论文）固体氧化物燃科电池阴极的丝网印刷制备及其性能评价的研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rd o c t o r sd e g r e e d e v e l o p m e n ta n de v a l t u a t i o no f c a t h o d e p r e p a r e db ys c r e e n p r in t in gf o r 丌i _ sofc 一1_一 a u t h o r sn a m c ： s p e c i a li t y ： n 3 u p e r v i s 0 r ： n tt fl n l s n e qt l m e ： 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：埤 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 出开口保密( 年) 作者签名：窒垂婆 导师签名： 签字日期：2 2 f ! ：l 王：i签字日期：竺( ! ：! ! ：望 摘要 摘要 固体氧化物燃料电池( s o f c ) 是一种工作在6 0 0 1 0 0 0 0 c 的电化学发电装置， 它可以将燃料的化学能直接转化为电能和热能，具有高效、清洁、可靠和安静的 优点，在电力、运输及军事上具有广阔的应用前景，受到了广泛的关注和大力的 发展。在工作状态下，单体s o f c 的输出电压通常低于1 v 且功率有限，为了获 得更大的输出电压和输出功率，需要将多个单体电池通过串联、并联或混联的方 式组成电池堆。电池堆的长期稳定工作，要求组成电池堆的大量单体电池具有稳 定的电化学性能。可靠、重复且稳定的单体电池制备工艺是实现上述目标的最根 本保证；同时标准规范化的电化学性能测试过程也是真实反映电池组成材料和微 观结构影响的重要保证。本博士学位论文围绕开发稳定重复的阴极丝网印刷工 艺、优化阴极电流收集、建立电池测试平台、规范和标准化电池测试过程几方面 展开。 论文第一章，简要介绍了s o f c 的工作原理和特点，综述了s o f c 的关键材 料，如：阳极、电解质、阴极、连接体和密封材料。除此之外，还介绍了电池堆 的设计结构及相应的优缺点，总结了电池性能的评价指标及影响电池性能的电化 学过程，分析了s o f c 的研究现状和发展趋势。以建立稳定、重复、规范的阴极 制备工艺和电池电化学性能测试过程为中心，提出本论文的研究目标和内容。 论文第二章，介绍了丝网印刷工艺的原理和阴极的氧还原过程，根据文献中 关于优化阴极制备工艺的报道，从增加阴极功能层中氧还原反应三相界面的数 量，及改善阴极电流收集层电导率和气体输运的角度，总结出合理的阴极制备工 艺参数，并应用于阴极的丝网印刷过程，成功制备了阴极。 论文第三章，建立阴极的制备工艺并对其性能进行表征。首先通过印刷y s z 粉体证明丝网工艺具有很好的稳定性和重复性。我们对制备的l s m y s z 阴极功 能层和l s m 阴极电流收集层的微观结构、孔隙率、极化阻抗和电导率分别进行 了分析；并制备了单电池，其在7 5 0 0 c 的最大功率密度达到了5 5 0 m w c m 2 。除 了建立阴极的丝网制备工艺，我们还进一步研究了y s z 电解质表面形貌对阴极 极化电阻的影响，通过采用不同粒径y s z 粉体对y s z 电解质的表面进行修饰， 建立了电解质表面形貌和阴极性能的关系，实验结果显示：高温预烧的y s z 粗 粉体增加了y s z 电解质的表面积，改善功能层电解质界面的微观结构，降低了 阴极的极化电阻。 论文第四章，研究了阴极电流收集体结构对电池性能的影响。通过对阴极电 流收集体的材料和设计结构的不断优化，改善了电子从电流收集体向阴极的分 摘要 配，使阴极内部电子电流的分布更加均匀；同时优化了氧气从电流收集体向阴极 的输运，降低了阴极的浓差极化，提高了电池的电化学性能，7 5 0 0 c 单电池的最 大功率密度从1 2 0 m w c m 。2 提高到5 5 0 m w c m 2 , 在改进阴极电流收集体的过程中， 我们发现a g 浆料层中的b i 2 0 3 助烧结剂会增强a g 相的烧结，改善a g 浆料层的 形貌；同时b i 2 0 3 会和l s m 发生反应生成固熔体，增加a g 浆料层和l s m 阴极 界面接触点的数量，抑制a g 浆料层l s m 电流收集层界面的电流收缩效应，改 善阴极内部的电流分布，降低阴极的极化电阻和欧姆电阻。除此之外，b i 2 0 3 的 熔点只有8 2 3 0 c ，在s o f c 的工作温度下，b i 2 0 3 可能会迁移到阴极内部并与l s m 接触产生额外的三相界面，与y s z 相比，b i 2 0 3 具有更高的氧离子电导率，因此 阴极的氧还原反应速度得到提高；一旦b i 2 0 3 到达阴极电解质界面，还会加快氧 离子从阴极向电解质的转移。b i 2 0 3 在自身向阴极迁移的同时，还会增加a g 相 的热迁移活性，使a g 在短时间内沉积到阴极功能层内，提高了阴极的活性。通 过上述研究分析，我们认为b i 2 0 3 和a g 在阴极功能层内的沉积大大降低了阴极 的极化电阻，提高了电池的输出功率密度。 论文第五章，开发了g d c 过渡层l s c f 阴极的电池结构。我们采用丝网印 刷、电子束蒸发沉积和离子辅助沉积工艺在y s z 电解质的表面制备了g d c 的过 渡层，以避免l s c f 阴极和y s z 电解质的化学反应，同时改善两者之间的热膨 胀匹配性。通过研究发现，g d c 过渡层的微观结构与成膜工艺之间关系密切， 丝网印刷的g d c 过渡层在1 2 5 0 0 c 的高温烧结后仍呈多孔结构，而电子束蒸发和 离子辅助沉积可以在2 5 0 0 c 下制备结构致密的g d c 过渡层，原因在于电子束蒸 发和离子辅助沉积过程中，具有一定动能的成膜粒子会将其动能转化成成膜所需 的能量，避免了高温烧结的过程。我们还发现，成膜粒子能量的大小会影响薄膜 的微观结构和致密程度，在离子辅助沉积过程中，辅助离子会将其动能转移给成 膜粒子，帮助形成更加均匀致密的g d c 过渡层。通过粒子辅助沉积工艺，我们 制备了结构致密的g d c 过渡层，为保护y s z 电解质，避免y s z 电解质和l s c f 阴极的反应，以及进一步提高电池的输出功率密度进行了探索。 论文第六章，描述了电池测试的基本原理和过程，建立了较系统的电池测量 系统，实现对气体流量，温度等试验条件的精确控制，可以进行多种电化学性能 的测量。尝试建立标准、规范和完善的电池电化学性能测试流程。 关键词：固体氧化物燃料电池，丝网印刷工艺，l s m 阴极，阴极电流收集，l s c f 阴极，电池性能测量 a b s t r a c t a b s t r a c t as o l i do x i d ef u e lc e l l ( s o f c ) i sa l le l e c t r o c h e m i c a ld e v i c eo p e r a t e da th i g h t e m p e r a t u r e ( 6 0 0 10 0 0 0 c ) ，w h i c hc a nd i r e c t l yt r a n s f o r mt h ec h e m i c a le n e r g ys t o r e di n f u e l si n t oe l e c t r i c a le n e r g ya n dh e a t s o f c sp r o v i d em a n ya d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a l e n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e mi n c l u d i n g h i g h l ye f f i c i e n c y , l o wp o l l u t i o n ，q u i e t n e s s ， r e l i a b i l i t y , m o d u l a r i t ya n df u e la d a p t a b i l i t y , w h i c hs h o wg r e a tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si n p o w e rg e n e r a t i o n ，t r a n s p o r ta n dm i l i t a r ya n da t t r a c tg r e a ta t t e n t i o nw o r l d w i d e u n d e r o p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，t h eo u t p u tv o l t a g eo fs i n g l es o f ci su s u a l l yl e s st h a n1v a n d t h ep o w e ri sl i m i t e d ，i no r d e rt og a i nm u c hm o r ep o w e ro u t p u t ，s i n g l ec e l l sa r ep i l e d t o g e t h e rt h r o u g hs e r i a lo rp a r a l l e lo rm i x e dd e s i g n s a c h i e v e m e n to f s t a b l el o n g - t e r m o p e r a t i o no fc e l ls t a c kr e q u i r e sr e p e a t a b l ea n ds t a b l ee l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c e so f s i n g l ec e l l s ，w h i c hd e p e n do nn o to n l yt h er e l i a b l e a n ds t a b l ec e l lf a b r i c a t i o n t e c h n i q u e s ，b u ta l s ot h es t a n d a r d i z e dc e l lt e s t i n gp r o c e s s b a s e do nt h eg o a lo flk w s t a c ki no u r l a b o r a t o r y , t h i sp h d t h e s i sf o c u s e so nd e v e l o p m e n to fr e l i a b l ec a t h o d e s c r e e np r i n t i n gt e c h n i q u e ，o p t i m i z i n gt h ec a t h o d ec u r r e n tc o l l e c t i o n ，e s t a b l i s h i n gf u e l c e l lt e s tp l a t f o r ma n ds t a n d a r d i z i n gf u e lc e l lt e s t i nt h ef i r s tc h a p t e r , w eb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f s o f c ，a n dr e v i e w e dt h ek e ym a t e r i a l s ，s u c ha s ：t h ea n o d e ，t h ee l e c t r o l y t e ，t h ec a t h o d e ， t h ei n t e r c o n n e c t o ra n dt h es e a lm a t e r i a l s i na d d i t i o n ，w ep r e s e n t e dt h es t a c kd e s i g n s a n dt h ec o r r e s p o n d i n ga d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，s u m m a r i z e dh o wt oe v a l u a t et h e c e l lp e r f o r m a n c ea n dw h a te l e c t r o c h e m i c a lp r o c e s s e sc a ni n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c e s w ea l s oa n a l y z e dt h es o f cr e s e a r c hs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d w ep r o p o s e dt o e s t a b l i s has t a b l e ，r e l i a b l e ，r e p e a t a b l ea n ds t a n d a r d i z e dc a t h o d ep r e p a r a t i o na n dc e l l t e s t i n gp r o c e s s i nt h es e c o n dc h a p t e r , w ef i r s t l yi n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fs c r e e np r i n t i n g t e c h n i q u ea n do x y g e nr e d u c t i o np r o c e s si nt h e c a t h o d e o nt h e b a s i so fc a t h o d e p r e p a r a t i o nl i t e r a t u r e ，r e a s o n a b l ep a r a m e t e r sa b o u th o wt oi n c r e a s et h ea m o u n to f t h r e e - p h a s eb o u n d a r i e si nl s m y s zc a t h o d ef u n c t i o n a ll a y e r ( c f l ) a n di m p r o v e c o n d u c t i v i t ya n dg a sd i s t r i b u t i o ni nl s mc a t h o d ec u r r e n tc o l l e c t i n gl a y e r ( c c c l ) w a sc o n c l u d e d ，a n dt h e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h es c r e e np r i n t i n gp r o c e s sa n d d e v e l o p e dt h ec a t h o d e i nt h et h i r dc h a p t e r , w em a i n l yf o c u s e do np r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no ft h e a b s t r a c t s c r e e np r i n t i n gc a t h o d e w ep r o v e dt h a tt h i st e c h n i q u eh a dg o o ds t a b i l i t ya n d r e p e a t a b i l i t yv i as c r e e np r i n t i n gy s zp o w d e ro ns i n t e r e ds u b s t r a t e w ea n a l y z e dt h e m i c r o s t r u c t u r e s ，p o r o s i t y , p o l a r i z a t i o nr e s i s t a n c ea n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo ft h e c f la n dc c c l s i n g l ec e l la c h i e v e dt h eh i g h e s tp o w e rd e n s i t yo f5 5 0 m w c m 呓a t 7 5 0 0 c w ef u r t h e ri n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo fy s zs u r f a c em o r p h o l o g yo nt h e c a t h o d ep o l a r i z a t i o nr e s i s t a n c e w em o d i f i e dt h ey s z e l e c t r o l y t es u r f a c ew i t l ly s z p a r t i c l e so fd i f f e r e n ts i z e s ，a n ds t u d i e dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev a r i e ds u r f a c e m o r p h o l o g ya n dc a t h o d ep o l a r i z a t i o nr e s i s t a n c e t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ：t h e 1 1 i g h t e m p e r a t u r ec o a r s e n e dy s zp a r t i c l e si n c r e a s e dt h es u r f a c ea r e ao ft h ey s z e l e c t r o l y t e ，i m p r o v e dt h ei n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r eb e t w e e nt h ec f la n de l e c t r o l y t e ， r e s u l t i n gi nr e d u c t i o no ft h ec a t h o d ep o l a r i z a t i o n i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w es t u d i e dt h ec a t h o d ec u r r e n tc o l l e c t o ra n dt h e i ri n f l u e n c e o nt h ep e r f o r m a n c e ，o fs o f c t h r o u g hc o n t i n u o u so p t i m i z a t i o no ft h em a t e r i a l sa n d d e s i g no fc a t h o d ec u r r e n tc o l l e c t o r , e l e c t r o nc o n d u c t i o nf r o mt h ec a t h o d ec u r r e n t c o l l e c t o rt ot h ec a t h o d ea n dc u r r e n td i s t r i b u t i o ni nt h ei n t e m a lc a t h o d ew a si m p r o v e d i na d d i t i o n ，c o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o nw a sa l s or e d u c e db yt h eo p t i m i z e do x y g e n t r a n s p o r t t h e1 1 i 曲e s tp o w e rd e n s i t yw a si n c r e a s e df r o m12 0t o5 5 0 m w c m 吐a t7 5 0 0 c w h e na gp a s t ew a sa p p l i e da st h ec a t h o d ec u r r e n tc o l l e c t o r , w ef o u n dt h a tb i 2 0 3 s i n t e r i n ga i di nt h ea gp a s t ee n h a n c e dt h es i n t e r i n go fa gp h a s ea n di m p r o v e dt h e s u r f a c em o r p h o l o g y , r e a c t e dw i t l ll s mt og e n e r a t es o l i ds o l u t i o na n di n c r e a s e dt h e a m o u n to fc o n t a c tp o i n t sa tt h ei n t e r f a c e t h e s eo b s e r v a t i o n sh e l p e dt os u p p r e s st h e c u r r e n tc o n s t r i c t i o ne f f e c ta n di m p r o v et h ec u r r e n td i s t r i b u t i o n , r e s u l t i n gi nr e d u c t i o n o fb o t hp o l a r i z a t i o nr e s i s t a n c ea n do h m i cr e s i s t a n c eo fc a t h o d e m o r e o v e r , b i 2 0 3h a s al o wm e l t i n gt e m p e r a t u r eo f8 2 3 0 ca n dm a ym i g r a t ef r o mt h ea gp a s t ec a t h o d e c u r r e n tc o l l e c t o ri n t ot h ec a t h o d ea tt h eo p e r a t i o nt e m p e r a t u r eo fs o f c d u et ot h e l l i g ho x y g e ni o nc o n d u c t i v i t yo fb i 2 0 3 ，a d d i t i o n a l l yf o r m e dc o n t a c tb e t w e e nb i 2 0 3 a n dl s mi n c r e a s e dt h r e e - p h a s eb o u n d a r i e sc a na c c e l e r a t et h eo x y g e nr e d u c t i o n r e a c t i o n o n c eb i 2 0 3r e a c h e dt h ec a t h o d e e l e c t r o l y t ei n t e r f a c e ，o x y g e ni o nt r a n s f e r f r o mt h ec a t h o d et oe l e c t r o l y t ec a nb ei m p r o v e d b i 2 0 3a l s oe n h a n c e dt h e r m a la c t i v i t y o fa gp h a s e ，l e a d i n gt od e p o s i t i o no fa gi n t oc a t h o d ei nas h o r t - t e r mt e s ta n di n c r e a s e o ft h ec a t a l y s i sa c t i v i t y t h e r e f o r e ，t h ed e p o s i t e db i 2 0 3a n da gg r e a t l yr e d u c e dt h e c a t h o d ep o l a r i z a t i o nr e s i s t a n c ea n de n h a n c e dt h ep o w e r o u t p u t i nt h ef i f t hc h a p t e r , w ed e v e l o p e dg d ci n t e r l a y e r l s c fc a t h o d es t r u c t u r ei n o r d e rt or e d u c et h ew o r k i n gt e m p e r a t u r eo fs o f c a l t h o u g hl s c fp e r o v s k i t e s a b s t r a c t e x h i b i th i g h e ro x y g e nc a t a l y t i ca c t i v i t yt h a nl s mm a t e r i a l s ，i ts h o w st h e r m a la n d c h e m i c a li n c o m p a t i b i l i t yw i t ht h es t a t e - o f - a r ty s ze l e c t r o l y t e t h e r e f o r e ，g d c i n t e r l a y e r sw e r ei n t r o d u c e db e t w e e nc a t h o d ea n de l e c t r o l y t eu s i n gs c r e e np r i n t i n g ， e l e c t r o n b e a me v a p o r a t i o na n di o na s s i s t e dd e p o s i t i o nm e t h o d s w ef o u n dt h a t m i c r o s t r u c t u r e so ft h eg d ci n t e r l a y e r sg r e a t l yd e p e n d e do nt h ed e p o s i t i o nt e c h n i q u e s t h es c r e e np r i n t i n gg d ci n t e r l a y e rs i n t e r e da t12 5 0 0 cr e m a i n e dp o r o u s ，w h e r e a s c o m p a c tm i c r o s t r u c t u r ec a nb ep r e p a r e da tl o wt e m p e r a t u r eo f2 5 0 0 cb yt h ee l e c t r o n b e a me v a p o r a t i o na n di o n a s s i s t e dd e p o s i t i o n w ef o u n dt h a te n e r g yo fd e p o s i t e d s p e c i e si nt h ep h y s i c a lp h a s ed e p o s i t i o nw o u l da f f e c tt h em i c r o s t r u c t u r e so fg d c i n t e r l a y e r s i nt h ei o na s s i s t e dd e p o s i t i o np r o c e s s ，t h ea s s i s t e di o n si m p i n g e do nt h e g r o w i n gf i l ma n dt r a n s f e r r e dt h e i rk i n e t i ce n e r g yt ot h ed e p o s i t e ds p e c i e s ，r e s u l t i n gi n e n h a n c e m e n to ft h ed e p o s i t e ds p e c i e s ，a n dad e n s e ra n dm o r eu n i f o r n lg d ci n t e r l a y e r w ed e v e l o p e dg d ci n t e r l a y e r 晰md e n s e s tm i c r o s t r u c t u r e ，w h i c hc a l lc o n t r i b u t et o p r o t e c tt h ey s ze l e c t r o l y t e f r o mr e a c t i n gw i t hl s c fc a t h o d ea n di m p r o v et h e e l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c eo fs i n g l ec e l l i nt h el a s tc h a p t e r , w ed e s c r i b e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo ff u e lc e l lm e a s u r e m e n t w e e s t a b l i s h e daf u e lc e l lt e s t i n gs y s t e mw i t ha c c u r a t e l yc o n t r o l l e dg a sf l o wr a t ea n d t e m p e r a t u r e ，a sw e l la sv a r i o u se l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t s a t t e m p t h a sb e e nm a d et os t a n d a r d i z et h ef u e lc e l lt e s t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：s o l i do x i d ef u e lc e l l ，s c r e e np r i n t i n g ，l s mc a t h o d e ，c a t h o d ec u r r e n t c o l l e c t i o n ，l s c fc a t h o d e ，f u e lc e l lt e s t v a b s t r a c t 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 燃料电池简介2 1 3 固体氧化物燃料电池简介4 1 3 1 固体氧化物燃料电池的工作原理及特点4 1 3 2 固体氧化物燃料电池部件的材料选择5 1 3 3 固体氧化物燃料电池结构和特点。l5 1 3 4 固体氧化物燃料电池的性能分析2 0 1 3 5 固体氧化物燃料电池的发展和趋势2 3 1 4 论文的研究内容3 2 参考文献3 4 第二章丝网印刷制备阴极的原理与工艺4 3 2 1 丝网印刷工艺简介4 3 2 2 阴极制备工艺4 5 2 2 1 阴极的氧还原过程4 5 2 2 2l s m y s z 功能层工艺的参考文献4 8 2 2 3l s m 电流收集层工艺的参考文献5 l 2 3 阴极及电池的制备步骤和性能表征手段5 2 2 3 1l s m y s z 功能层的制备。5 2 2 3 2l s m 集流层的制备5 2 2 3 3 单电池的制备5 3 2 3 4l s m y s z 功能层和l s m 集流层的表征5 3 2 3 5 单电池性能表征5 4 2 4 本章小结5 4 目录 参考文献。5 5 第三章l s m 阴极与y s z 电解质界面间的修饰对阴极极化阻抗的影 3 1 引言5 7 3 2 丝网印刷工艺的稳定性5 7 3 2 1y s z 多孔膜的丝网印刷5 7 3 2 2 丝网印刷y s z 膜的评价5 8 3 3 阴极的性能表征5 9 3 3 1l s m 和y s z 粉体的性能参数5 9 3 3 2 功能层和集流层的微观结构5 9 3 3 1 3 功能层和集流层的电化学性能6 l 3 - 3 4 典型的单电池性能6 2 3 4 电解质表面修饰对l s m y s z 阴极功能层性能的影响6 5 3 4 1y s z 电解质的表面修饰及表征6 5 3 4 2 修饰y s z 电解质对l s m y s z 功能层性能的影响一6 5 3 5 本章小结7 0 参考文献7 l 第四章阴极的集流及其影响因素的研究7 3 4 1 引言。7 3 4 1 1 阴极电流收集体介绍7 3 4 1 2 本章内容摘要7 5 4 2 单电池阴极电流收集体的优化7 6 4 2 1 阴极电流收集体对电池电化学性能的影响7 6 4 2 2a g 浆料中b i 2 0 3 助烧结剂对阴极性能影响的研究8 2 4 3 本章小结9 2 参考文献一9 3 第五章y s z 电解质l s c f 阴极间g d c 隔离层的低温制备9 6 5 1 引言9 6 5 2 实验步骤9 8 5 2 1g d c 过渡层的制备。9 8 5 2 2l s c f 阴极制备及单电池表征9 9 5 3 实验结果和讨论9 9 5 3 1g d c 过渡层的性能9 9 5 3 2 电池性能表征1 0 2 5 4 本章小结1 0 5 参考文献10 6 第六章电池测量设备的建立和测试过程的规范1 l o 6 1 引言。110 6 2 电池测量系统11 0 6 3 电池测量的标准化11 3 6 4 本章小结1 1 6 参考文献。i1 7 致 射i18 在读期间发表的学术论文11 9 目录 随着 加。 年至 全世 各种能源的消费量都将保持增长，不过仍以化石能源为主( 图1 1 ) 。该报告同时 指出：电力行业依然是能源消费量最大的行业，6 0 以上的电力供应来源于煤炭 和天然气的转化；交通运输业的迅速发展将不断增加石油等液态能源的消费量， 并将占到石油总消耗量的8 0 左右【1 】。 擎梦梦拶擎拶梦梦 图l - l1 9 8 0 2 0 3 0 年全球能源需求总量( 左) 和各种类型能源的需求量( 右) 【l 】。 石油、煤炭和天然气通过燃烧，将化石能源的化学能转化为热能，进而直接 利用或再转化为电能。化石能源在燃烧的过程中，会向大气释放大量的二氧化碳、 二氧化硫、三氧化硫、氮氧化物，粉尘和微量金属等污染物。根据国际能源机构 ( i e a ) 2 0 0 7 年的统计数据：在人类向大气中排放的二氧化碳总量中，由能源消 耗产生的占8 0 以上，这其中的2 3 是由用于转化电能、热能和发展运输业所消 耗的能源产生( 图1 2 ) 2 】。 当人类社会在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，不可避免 的要面对如何减少化石能源的消耗量，降低使用能源而对环境造成污染的问题。 目前两种有效的解决途径是：( 1 ) 开发化石能源的替代能源，如：水能，太阳能， 核能，风能，氢能，地热能，海洋能和生物质能；( 2 ) 高效清洁地利用化石能源。 o b 6 4 2 第一章绪论 o t l l 甜。 r e s i d e n t i a l 1d 6 t r a n s p o r t 2 3 图l - 22 0 0 7 年统计的人类活动向大气中排放的二氧化碳比例，其中由能源消费产生的二氧 化碳占总量的8 0 以上( 左) ，不同能源消费方式产生二氧化碳比例( 右) 【2 】。 1 2 燃料电池简介 燃料电池是一种使用燃料进行化学反应来产生电力的装置，包括纯氢气、富 含氢气的合成气、天然气、甲醇、乙醇，甚至是汽油等碳氢化合物都能够作为燃 料气【3 】。与通过化石能源燃烧产生电能的过程不同，燃料电池直接将燃料的化 学