（环境工程专业论文）固体氧化物燃料电池的电极材料研究和单电池数值模拟.pdf

摘要 能源问题将是2 1 世纪人类所面对的巨大挑战。固体氧化物燃料电池( s o f c ) 是一种能 直接将化学能转化为电能的能量转化装置，并且无噪音污染、能量转化率高。传统的y s z 电解质组成的固体氧化物燃料电池由于电解质材料在较低温度下的电阻较高。一般要工作在 9 5 0 1 0 0 0 c 。降低s o f c 的运行温度到6 0 0 8 0 0 将在很多方面体现出优越性，如可以降低 电池其它组件材料的费用、降低材料的失效问题等，成为了s o f c 发展的必然趋势。因此研 究和开发中温固体氧化物燃料电池( n 二s o f c ) 的电极材料对s o f c 的发展至关重要。 c e o9 6 d 0 1 0 19 5 ( g d c ) 是中温s o f c 的有前景的电解质材料，而n i - c e 0 8 s m 0 2 0 l9 ( n i s d c ) 材料是适合中温s o f c 的理想阳极材料。本文采用柠檬酸硝酸盐溶胶凝胶低温 自蔓延燃烧法制备了氧化镍( n i o ) 粉末、c e ob s i n e 2 0 l9 ( s d c ) 粉末、n i o - c e o8 s m 0 2 0 l9 ( 质量比n i o ：s d c = i ) 和c 0 3 0 4 - n i o - c e o s s m 0 2 0 19 ( 质量比c 0 3 0 4 ：n i o ：s d c = i ：l ：2 ) 粉末，采用x r d 检测了粉体的成相情况。将n i o 与s d c 按不同质量比和不同制备工艺制 备了固体氧化物燃料电池的阳极前身。n i o s d c 粉末和c 0 3 0 i - n i o s d c 粉末也分别制成阳 极前身。再用自组装的还原装置将其在8 2 0 c 条件下经2 5 h 还原后，采用四端予法测量其电 导率值分析了阳极片电导率与阳极片微结构、n i 的质量百分数、混合研磨时间、原始粉 末制备工艺及烧结温度之间的关系。结果显示，阳极片的电导率强烈依赖于镍含量和原始粉 末的制备工艺。 由于上面制备的阳极片的电导率不是很高，而电导率的大小主要与其中的n i o 材料的 性质密切相关，所以本文研究了不同n i o 制备工艺对n i s d c 阳极的电性能的影响。制备了 两种、购买了一种共三种具有不同微结构、不同粒径的n i o 粉末，将这三种n i o 粉末与s d c 粉末以1 ：1 的质量比按上述方法制备成n i - s d c 阳极，分析了阳极片的电导率与阳极片微 结构之间的关系。结果显示，阳极片的电导率与阳极片的微结构、n i o 粉末的微结构、n i o 粒子的粒径密切相关，而这些因素直接受n i o 粉末的制备工艺影响。由n i c 0 3 2 n i ( o h ) 2 4 h 2 0 分解得到的n i o 粉制备的阳极片具有最高的电导率值。 掺杂l a c 0 0 3 材料在较低温度下具有较高的离子和电子导电性，具有较大的发展前景。 本文采用固相反应法和柠檬酸- 硝酸盐溶胶一凝胶低温自蔓延燃烧法( 简称柠檬酸法) 合成了 l a os s r os c 0 0 29 1 ( l s c ) 和l a e 7 s r 0 3 c o o3 f e e 7 0 3 ( l s c f ) 复合氧化物。借助x r d 和s e m 对 不同制备方法合成的粉体的晶体结构和晶粒形貌进行了研究。实验结果表明：固相反应法可 制得均一钙钛矿结构的l s c 氧化物，柠檬酸法除制得l s c 氧化物外，还有l a s r c 0 0 4 相的 生成。两种方法均能合成出结晶较好的l s c f 粉体。柠檬酸一硝酸盐溶胶一凝胶低温自蔓延燃 烧法合成粉体的粒度相对较小。为研究以g d c 为电解质的固体氧化物燃料电池阴极材料的 性能，分别将l s c 粉体和l s c f 粉体与g d c 粉体按6 ：4 的质量比制备了固体氧化物燃料电 池的阴极片在空气气氛下使用直流四探针法研究了烧结样品的电导率，发现由柠檬酸法得 到粉体制备的阴极片的电导率值较高。将制备的样品置于马弗炉中8 0 0 c 条件下烧结8 0 0 h 。 比较失效前后电导率的变化情况，并借助x r d 、s e m 等测试手段分析样品电导率变化的原 i 浙江丈学博七学位论文 因。分析发现，失效之后所有样品的电导率值都有所降低，且两种l s c 样品中有新相的生 成，晶体形貌有比较大的变化。 以上制备的两种阴极材料都有一定的不足之处，为寻找适合g d c 电解质的性能更为优 良的阴极材料，本文采用固相反应法合成了中温固体氧化物燃料电池新型复合掺杂阴极 l a 0 6 s r i - x c a x c 0 1 一i p 3 ( l s c c n ) 钙钛矿材料。借助x r d 等手段对不同掺杂含量所制备的 粉体的成相过程和晶体结构进行了研究。实验结果表明：当x = 0 4 时，c a 2 + 已经不能很好的 掺入到l a c 0 0 3 晶格中去。n i 元素含量较小的情况下，不会影响材料的晶体结构，不过当 n i 含量稍有增高，制备的粉体的结构发生了明显的变化，已不再具有钙钛矿型的晶体结构， 出现了较强的四方k 2 n i f 4 结构的l a s r c 0 0 4 衍射峰。将l s c c n 粉体制备成固体氧化物燃料 电池的阴极片，在空气气氛下使用直流四探针法测量了样品的电导率值，发现l s c c n 系列 材料中保持了钙钛矿结构的阴极片具有很高的电导率，其中c d + 和s p 掺杂各半的情况下的 电导率值最高。掺入较多的c a 2 + 或较多的m 2 + 不仅影响了材料的单一的晶体结构，并且大大 降低了材料的电导率。 为研究电极材料对电池性能的影响和燃料电池的运行机理，本文发展了一个用于固体氧 化物燃料电池的三维的综合的数学模型，模型同时考虑了流体流动、热量传递、电荷传递、 多组分传递和电化学动力学。研究的区域包括阳极和阴极的流道、扩散层和催化层，以及中 间的电解质层在内的整个电池。采用统一的数学方程描述整个区域的传递现象，而用不同的 源项和相应的物性参数反映不同性质的层。通过计算流体动力学( c f d ) 技术求解传递方程 组，并耦合电化学动力学方程，获得了电池内的流动、温度、压力，反应物组分浓度等分布。 讨论了不同的电极材料，电极材料的孔隙率，气体入口流速、燃料气体组成等对电池性能的 影响。 关键词：固体氧化物燃料电池( s o f c ) ；阳极；阴极；电导率；微结构；稳定性；计算流体 动力学( c f d ) ；数值模拟 1 。 a b s t r a c t h u m a nb e i n g sa r ec o n f x o n t e dw i t ht h eg r e a tc h a l l e n g ef o rt h ee n e r g yp r o b l e mi n2 1c e n t u r y s o l i do x i d ef u e lc e l l s ( s o f oi sa t le l e c t r o c h e m i c a lr e a c t o r , w h i c hh a st h ec a p a b i l i t yo f c o n v e r t i n gc h e m i c a le n e r g yd i r e c t l yi n t oe l e c t r i c i t yw i t hh i g l le f f i c i e n c ya n dl o wp o l l u t i o n t h e t r a d i t i o n a le l e c t r o l y t em a t e r i a lb a s e d0 1 1y t t r i u m s t a b l i z e dz i r c o n i ao s 动m u s tb eo p c l b g e da t t e m p e r a t u r e sr a n g i n gf r o m9 5 0 ct o1 0 0 0 c d u et ot h er e l a t i v e l yi i i g hr e s i s t i v i t yo f t h ee l e c t r o l y t e a tl o w e rt e m p e r a t u r e h o w e v e r , l o w e r i n gt h et e m p e r a t u r et ob e t w e e n6 0 0a n d8 0 0 ch a sb e c o m e 锄i n e v i t a b l et r e n df o rd e v e l o p m e n to fs o f cd u et ot h ep o t e n t i a lb e n e f i t si to f f e r s , s u c ha s c h e a p e rm a t e r i a l s ，l o w e rd e g r a d a t i o np r o b l e m sa n db e c o m e sad e v e l o p i n gt r e n d s oi ti si m p o r t a n t t or e s e a r c ha n de x p l o r ee l e c t r o d em a t e r i a lf i t t i n gt oi n t e r m e d i u mt e m p e r a t u r es o l i do x i d ef u e lc e l l ( i t - s o f c ) c e 0 9 g d oi 0 19 5 ( g d c ) i sak i n do f p r o m i s i n ge l e c t r o l y t em a t e r i a lw h i l en i - c e o s s m 0 2 0 i9 ( n i - s d c ) i sap e r f e c ta n o d em a t e r i a lf i t t i n gt oi t - s o f c n i o ，c e 0s s m 0 2 0 19 ( s d c ) n i o - c e o s s m 0 2 0 t9 ( n i o ：s d c = i ：ii nw e i g h t ) a n dc 0 3 0 4 - n i o - c e os s m 0 2 0 19 ( c 0 3 0 4 ：n i o ： s d c = 1 ：1 ：2i nw e i g h t ) w e r es y n t h e s i z e db yt h ec o m b i n a t i o no fs o lg e la n dc i t r i ca c i d - n i t r a t el o w t e m p e r a t u r es e l f - p r o p a g a t i n gc o m b u s t i o nm e t h o d t h ep h a s ei d e n t i f i c a t i o no ft h es y n t h e s i z e d p o w d e rw a sm e a s u r e db yx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n o d ep r e c u r s o r si n c l u d i n gh o m e - m a d en i o a n ds d ch a v eb e e np r e p a r e db yd i f f e r e n tn i oc o a t e n ta n df a b r i c a t i o nc o n d i t i o n , a n dn i o - s d c a n dc 0 3 0 4 - n i o s d cw e r ef a b r i c a t e di n t oa n o d ep r e 圮u r s o r $ r e s p e c t i v e l y w er e d u c e dt h ea n o d e p r e c u t s o t _ sw i t hp u r eh y d r o g e na t8 2 0 cf o r2 5h o u r s , t e s t e dt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y , a n d i n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to f m i c r o s t r u c t u r eo ne l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f n i s d cc o m p o s i t ea n o d e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea n o d ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yd e p e n d ss t r o n g l y o nt h ea n o d e m i c r o s t r u c t u r e , w h i c hi sd r a m a t i c a l l ya f f e c t e db yn ic o n t e n ta n do r i g i n a lp o w d e rf a b r i c a t i o n c o n d i t i o n s t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yw h i c hi si n f l u e n c e db yt h en i oi sn o th i g he n o u g hf o rt h ea b o v e a n o d es l i c e s h e r e 。t h ei n f l u e n c eo fn i 0p o w d e rf a b r i c a t i o i lm e t h o df o rn i - s d ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yw a si n v e s t i g a t e d t w ok i n d so fn i op o w d e rw e r es y n t h e s i z e dw i t hat h i r dk i n d a v a i l a b l ei nt h em a r k e t t h r e et y p e so f a n o d ep r e c u r s o r sw c t ef a b r i c a t e dw i t ht h e s en i op o w d e r s a n ds d c 砒t h em a s sr a t ef o ri ：1 t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f t h ea n o d e sw a sm e a s u r e da n dt h e e f f e c to fm i c m s t m c t u r ew a si n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h ea n o d ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y d e p e n d ss t r o n g l yo nt h en i op o w d e rm o r p h o l o g i e s ，p a r t i c l es i z e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo f t h ec e r m e t a n o d e ，w h i c ha r cd e c i d e db yn i op o w d e rp r e p a r a t i o nt e c h n i q u e t h eh i g h e s te l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y i so b t a i n e d f o r a n o d e c e n n e t sw i t hn i o p o w d e rs y n t h e s i z e db y n i c 0 3 2 n i ( o h ) z 4 h 2 0d e c o m p o s i t i o nt e c h n i q u e d o p e dl a c 0 0 3h a sh i g hi o n i ca n de l e c t r o n i cc o n d u c t i v i t y 砒l o w e rt e m p e r a t u r ea n di sa h n d i i i 浙江大学博七学位论文 o fp r o m i s i n gc a t h o d em a t e r i a l h e r e , c o m p o s i t e l yd o p e do x i d e 5 s r 0 5 c o o z 9 1o u s c ) w a s s y n t h e s i z e du s i n gs o l i ds t a t er e a c t i o na n dc i t r i ca c i d - n i t r a t e l o wt e m p e r a t u r es e l f - p r o p a g a t i n g c o m b u s t i o nm e t h o d t h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n dt h ep a r t i c l es i z em i c r o g r a p ho fl s cp o w d e r s y n t h e s i z e db yd i f f e r e n tm e t h o d s w e r ei n v e s t i g a t e dw i t hx r da n ds e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h es i n g l ep e r o v s k i t ep h a s eo fl s cc a nb es y n t h e s i z e db ys o l i ds t a t er e a c t i o nm e t h o d , b u tl a s r c 0 0 4p h a s ea p p e a r e di nl s cp o w d e rs y n t h e s i z e db yc i u i ca c i d - n i t r a t el o wt e m p e r a t u r e s e l f - p r o p a g a t i n gc o m b u s t i o nm e t h o d t h es i n g l ep e r o v s k i t ep h a s eo f l s c f c a l lb es y n t h e s i z e db y b o t hm e t h o d s t h ep a r t i c l eb yc i t r i ca c i d - n i t r a t el o wt e m p e r a t u r es e l f - p r o p a g a t i n gc o m b u s t i o n m e t h o dh a st h es m a l l e rs i z e t oa n a l y z et h ec h a r a c t e ro fc a t h o d em a t e r i a lb a s e do ng d c e l e c t r o l y t e f o u rt y p e so fc a t h o d ew a f e r sw e r ef a b r i c a t e dw i it h ef o u rk i n d so fc a t h o d ep o w d e r e n dg d cp o w d e ra tt h em a s sr a t eo f 6 ：4 , r e s p e c t i v e l y t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f t h es i n t e r o d s a m p l e sw a sm e a s u r e db yf o u rp r o b ed cm e t h o d t h ec a t h o d ew i t hl s c o rl s c fp a r t i c l e sb y c i t r i ca c i d - n i t r a t el o wt e m p e r a t u r es e l f - p r o p a g a t i n gc o m b u s t i o nm e t h o dh a st h eh i g h e re l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h es t a b i l i t y , t h ef o u rk i n d so fs a m p l e sw e r ep u ti n t ot h e m u f f l ef u r n a c et oh e a tu pi na i ra t8 0 0 cf o r8 0 0 h t oa n a l y z et h er e a s o nf o rr e d u c e de l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y , t h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n dt h ep a r t i c l em i c r o g r a p ho ft h ec a t h o d ew a f e r sb e f o r ea n d a f t e ra l le x p o s u r ew e r ei n v e s t i g a t e dw i t hx r da n ds e m t h er e s u l ts h o w st h a tn e wc r y s t a l s t r u e t o r ea p p e a r si nb o t ht h et w ok i n d so fl s c g d cc a t h o d ew a f e r sa n dc r y s t a lm i c r o g r a p h s c h a n g ea l o t i ti s n e c e s s a r yt ol o o kf o rh i g hp e r f o r m a n c ec a t h o d em a t e r i a lb e c a u s et h e r ea r es o m e l i m i t a t i o n sf o rl s ce n dl s c fm a t e r i a l c o m p o s i t e l yd o p e do x i d el a 0 6 s r l z c a t c 0 1 y n i y o 硒 ( l s c c n ) w a ss y n t h e s i z e du s i n gs o l i ds t a t er e a c t i o nm e t h o d t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fl s c c n p o w d e rw a si n v e s t i g a t e dw i t hx r d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es i n g l ep e r o v s k i t e p h a s ec a nn o tb es y n t h e s i z e dw h e nxi s0 4 t h es q u a r ek 2 n i f 4p h a s eo fl a s r c 0 0 4c a l lb e s y n t h e s i z e x lw h e nt h ep e r c e n t a g eo fn ii n c r e a s e s t h ec a t h o d ew a f e r sw e r ef a b r i c a t e dw i t ht h e l s c c nc a t h o d ep o w d e r t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f t h es i n t e r o ds a m p l e sw a sm e a s u r e db yf o u r p r o b ed cm e t h o d t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo ft h ec a t h o d ew a f e r sw i t hp o r o v s k i t es t r u c t u r ei s h i g ha n dt h ec a t h o d ew a f e rw i t ht h es a m em o l a ro fc a 2 + a n ds r 2 + h a st h eh i g h e s te l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y t h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n dt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo ft h ec a t h o d ew a f e r sa r e s t r o n g l yi n f l u e n c e dw h e nt h em o l a rp e r c e n t a g eo f c a 2 + o rn i 2 i n c r e a s e s t oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fe l e c t r o d eo ns o f cp e r f o r m a n c ea n di t sm e c h a n i s m , a t h r o e - d i m e n s i o n a l ，c o m p r e h e n s i v em a t h e m a t i c a lm o d e li sd e s c r i b e dw h i c hi n c l u d e st h ef l u i df l o w , h e a tt r a n s f e r , s p e c i e st r a n s p o r ta n de l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o ni ns o f c t h es t u d i e dd o m a i nc o n s i s t s o ff l u i dc h a n n e l s , e l e c t r o l y t e ，d i f f u s i o nl a y e r sa n da c t i v a t i o nl a y e r so fc a t h o d ee n da n o d e t h e t r a n s p o r tp h e n o m e n ao c c u r r e di nt h ew h o l es o f ci sd e s c r i b e db yt h eg e n e r a l i z e de q u a t i o n , i n w h i c hd i f f e r e n t p a r a m e t e r sa n ds o u r c et e r m sa r ee m p l o y e df o rd i f f e r e n tl a y e r s t h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c s , d i s t r i b u t i o n so f t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，a n dc o m p o n e n tc o n c e n t r a t i o ni nt h e3 - d s p a c ea l eo b t a i n e db ys o l v i n gt h et r a n s p o r te q u a t i o ns e tc o u p l e dw i t ht h ee l e c t r o c h e m i c a lk i n e t i c s e q u a t i o n s t h eg e n e r a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa r es o l v e db yc o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c s ( c f o ) t e c h n i q u e t h ee f f e c to f m a t e r i a le l e c t r o d ep o r o s i t y , i n l e tv e l o c i t ya n df u e lc o m p o n e n t0 1 1t h ef u e l c e l lp e r f o r m a n c em a n a l y z e d k e y w o r d s ：s o l i do x i d ef u e lc e l l ( s o f c ) ；a n o d e ；c a t h o d e ；e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y ；m i c r o s l r u e t u r e ； s t a b i l i t y ；c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ；n u m e r i c a lm o d e l i n g 学号1 0 3 0 8 0 3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝辽太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：鸯岛签字日期；岫年弓月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝辽太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权渤i i e 盍 兰_ 可以将学位论文的全部或部分内容编入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 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：螽 签字日期：1 ，年3 月夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： ：、1 、 门柑 名 斯 签 日 师 字 第一章绪论 第一章绪论 本章首先主要简述了燃料电池( f u e lc e l l ，f c ) 的发展历史，主要类型以及燃料电池的 优缺点。然后提出了固体氧化物燃料电池( s o l i do x i d ef u e lc e l l ) 研究工作的必要性、工作 原理和一些优于传统能源和其它燃料电池的特性及国内外的发展现状；接下来特别介绍了固 体氧化物燃料电池的电解质和电极材料的研究情况，指出目前商业化急需解决的问题；最后， 提出了本论文的主要研究内容。 1 引言 能源是人类赖以生存的基础，也是直接影响经济发展的一个重要制约因素。目前世界的 能源消费主要是煤炭、石油、天然气。随着社会文明的发展和社会进步，化石燃料的无节制 使用，大量毒害气体、粉尘的排放，导致环境污染和生态平衡的破坏使人类深刻的认识到 只有人与环境的和谐共处才是可持续发展的唯一途径。随着地球上一次能源的日趋枯竭，环 境污染日益严重，洁净高效的能源利用方式逐渐成为未来能源开发和利用的方向。燃料电池 是继水力、火力，核能发电技术后的第四代新型发电技术。它是一种不经过燃烧直接将化学 能转变为电能的高效发电装置。由于不存在卡诺循环，因此不受热机效率、发电厂规模的限 制。燃料电池的效率主要取决于电池的电压，理论效率高达8 0 以上，其反应产物主要为 水和c 0 2 ，向大气中排放的有害物质很少【l ，”。因此它越来越广泛的应用于现代化制造和生 产中。 2 燃料电池的类型和特点 燃料电池根据其电解质材料的不同可以分为以下几种类型，碱性燃料电池( a l k a l i n ef u e l c e l l ，a f c ) ，以浓磷酸为电解质的磷酸燃料电池( t h e p h o s p h o r i c a c i d f u e l c e l l ，p a f c ) 、 以熔融碳酸盐做电解质的燃科电池( m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l ，m c f c ) 以及1 9 3 7 年b a u r ， p r e i s 使用固体电解质制成的高温运行( 1 2 7 3k ) 的固体氧化物燃料电池( s o l i do x i d ef u e l c e l l ，s o f c ) 此外，还开发了质子交换膜( p e m f c ) 等类型的燃料电池。不同类型的燃 料电池在应用范围、结构设计、材料花费、工作工况等方面存在较大的差别，因而它们的用 途不同。表l - l 给出了这几种燃料电池的最常用的组成材料、运行工况、内部所发生的电化 学反应以及每种燃料电池的优缺点等【3 j 。可以看出，燃料电池的运行温度从8 0 c ( p e m f c ) 的较低温度到1 0 0 0 c ( s o f c ) 的较高温度不等。低温燃料电池( a f c 、p a f c 、p e m f c ) 的电解质材料的离子导电通常是通过h + 和o h 的运动来完成的。在高温燃料电池中。m c f c 是通过c 0 3 2 。、s o f c 是通过0 p 来实现电解质材料的离子导电性的。 塑兰奎兰堡：堡丝三 表1 - 1 燃料电池的典型的组成、运行条件、电化学反应和特点 t a b l e l - lt y p i c a lc o m p o n e n t s ，o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，e l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n sa n d c h a r a c t e r i s t i ci nf u e lc e l l s 骚ea f c bp a f cm c f cs o f cp e h 佰c 阳极 踟哆自p b 2 0 p dn ip 忧n i - l o c r n i - y 2 0 3 掺杂 p 惦 的z 她 ( n i y s z ) 阴极 9 0 0 o a l l - 1 0 p “掺杂的 p “c l i 掺杂的n i os r 掺杂的 p 们 tn i o l a m n o ， 电解质3 5 4 5 k o h 8 5 k o h 1 0 0 h ；p 0 46 2 l i 【2 c o r vy 2 0 ，掺杂的 n 蚰o n c h n 0 1 3 8 k 2 c 0 1z r 0 2 ( y s z ) 压力0 ，4 - - 0 4 0 1 10 i l 0 ，l 0 1 加5 ，h i p a 温度8 0 - 0 02 6 0 2 0 0 6 5 0 1 0 0 0 8 0 ， 电荷o h 一0 h 。h + c o o 扣h + 载体 阳极 h + 2 0 h 。h ，+ 2 0 h 一h 斗h 2 + c o _h + 2 0 2 一h _ 2 h ，0 4 - 2 e 2 h ，0 4 - 2 e 。 2 h + + 2 e 。 h 2 0 + c 0 2 + ： h o + 2 c 2 h + + 2 e 反应 阴极0 24 - 2 h 2 0 +0 2 + 2 h 2 0 + o ，+ 4 h + + 0 2 4 - 2 c 0 2 + 0 2 + 4 c 。 o ，+ 4 h + + 4 e 。 4 0 h 4 0 一_ 4 i ) h 4 c 一_ 2 h ，o 4 e 。_ 2 c o ，“ _ 2 0 2 - 4 c 。_ 2 h ，o 反应 优点 效率高运行温散率高运行温可承受一定的不焉要贵金属作电解质没育腐蚀同态电解质，运 度低，启动快度低，启动快 c 0 2 含量 傩化剂c 0 可作性。不需要贵金行温度低，启动 为燃料、捧出的属作催化捌、c o侠 气体热值较高，可作为燃料，可 可实现热电联产实现热电联产 缺点不能承受c 0 2 的不能承受c o z 的爱求责金属作值电解质具有腐蚀运行温度较高要求责金属作催 存在电解质具存在，电解质具化荆，电解质具性化j l l f 有腐蚀性有腐蚀性有腐蚀性 可能应用 航天、特殊地面航天，特殊地面特殊需求，小型区域性供电联 区域性供电、联电动汽车、可移 的领域应用 应用 电站和交通运输合循环发电 合循环发电 动的动力潭 空间卫星计划，。阿波罗计划，。全氟璜酸型膜。杜邦公司研制的，以n a t i o n 作为注册商标。 2 3 固体氧化物燃料电池 3 1 固体氧化物燃料电池特点 固体氧化物燃料电池( s o f c ) 是八十年代发展起来的一种高温燃料电池，通常被视为 固定发电厂的候选，是一种最有前途的高效、洁净发电技术之一【4 】。它的优点主要有： ( 1 ) 效率高。燃料电池直接将燃料化学能转换为电能，没有通常的由燃料的化学能转 化为热能、由热转化为机械能，再由机械能转化为电能的过程损失。对排出余热的进一步充 分利用还可以提高燃料电池的效率，系统效率可达6 0 8 0 。而汽轮机或柴油机由于受卡 诺循环的限制，效率约为4 0 5 0 ，当用热机带动发电机时，其效率仅为3 5 , - 4 0 1 5q 。 ( 2 ) 设备可靠性高，对负荷的适应能力强。燃料电池过载运行或欠载运行都能承受而 效率基本不变，负荷变化时响应速度很快。可以直接建在终端用户附近，没有庞大的输配电 网络，供电可靠性高，同时节约大量的输配电设备费用并减少损耗。 ( 3 ) 燃料电池的环境兼容性好。由于整个能鼍转换过程中没有燃烧，c 0 2 的排放量比 常规火电少，s o x 和n o 。的排放量更低，比火电减少9 0 以上，当以纯氢为燃料时，化学产 物仅为水，可实现零污染。同时，能量转换的主要装置无运动部件，因此噪音极小。据文献 报道的有关测试表明，在已建燃料电池电厂外约l o 米处的噪音仅为6 0 d b 。 ( 4 ) 模块化结构固体氧化物燃料电池具有可模块化的特点，其结构形式和容量大小 灵活，安装容易。 ( 5 ) 全固态元件。电池全部部件均为固体，可以安装成很薄的层状结构，各个电池部 件可制成特定的形状；因为电解质材料是固态的，所以不存在熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 那样的电解质的腐蚀漏液问题，运行安全可靠，可以长时间运行，可作为各种应急电源和不 间断电源。 ( 6 ) 工作温度高，动力学过程快，不需要贵金属p t 等作催化剂，功率密度高。 ( 7 ) 抗毒性好。在抗毒能力方面，s o f c 在以干氢、湿氢、一氧化碳或它们的混合物 为燃料时都能很好的工作，由于工作温度高，s o f c 承受硫化物的能力比其它燃料电池至少 高两个数量级。 ( 8 ) 使用燃料范围广。因为s o f c 是基于氧离子而不是基于任何来自燃料气的其它的 离子传输导电，原则上任何一种燃料都可以使用，如氢气、天然气、甲醇、乙醇、生物质气 和煤气等，大气等离子喷涂制备平板式s o f c 及其密封技术的研究经专门装置重整制取后， 还可以使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤、废纸，甚至城市垃圾、沼气