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1、科技方法训练实践报告实验题目 燃料电池的制备 专业班级 11应用物理 姓名 廖魏 学号 2 指导教师 徐序 完成时间 2014.10.28 摘要：目前世界现有的石化能源远不能满足人们的需要，燃料电池是的开发和应用从一定程度上缓解即将出现的能源危机。燃料电池不仅利用率高，而且可以实现零污染，是一项非常好的能量来源。目前世界各国对燃料电池的研究十分热，燃料电池的发展前景是十分可观的。关键词：燃料电池 能源 电解质一、论文的意义能源日趋紧张，化石燃料行将耗尽，氢能作为未来能源的有效解决方案逐渐得到重视，氢必将成为世界燃料和能源的主流。 氢基燃料电池作为氢能领域重要技术支撑经历了第一代磷酸燃料电池(
2、PAFC) ，第二代熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) ，发展到了第三代固体氧化物燃料电池(SOFC)。SOFC 由于有很多相对优势而得到关注。 与以燃烧为基础的传统发电相比，SOFC 没有燃烧过程和机械运动，极大地降低了化石燃料在能量转换中的能量损失和对生态环境的破坏，从而使其具有运转稳定、高效率(40 %60 %) 、零污染、无噪音等特点；与低温工作的质子膜燃料电池(PEMFC) 相比，除其高效率外，SOFC 还避免了只能使用贵金属电极材料(如Pt ) 的局限性，消除了CO 对电极的毒化，降低了对燃料质量的要求，增加了燃料选择的灵活性(如天然气、煤气、生物质气体、柴油以及其他碳氢化合物) ；与
3、相对高温工作的熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 相比，SOFC 具有更高的功率密度，没有液态的熔盐腐蚀介质，避免了燃料电池材料的热腐蚀。固体氧化物燃料电池按照支撑材料的不同可分为三种结构模式：电解质负载型、阴极负载型、阳极负载型。其中阳极负载型固体氧化物燃料电池以其电池内阻低，操作温度低，功率密度高，工艺简单，价格低廉等特点而逐渐成为国内外研究的热点，阳极支撑型的平板式SOFC已经成为当前国际上SOFC研究的重要方向。但由于此种结构的电池其反应阻力主要集中于阳极，因此对阳极结构和性能提出了更高的要求，有关阳极结构的研究也日趋活跃。二、燃料电池2.1燃料电池概念燃料电池: 燃料电池的名称是由L.
4、Mond和C. Langer两位化学家首先提出的。燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装置。它的结构与普通电池相同，也有阴极、阳极，通过电解质将两电极隔开，但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行“燃烧”，当然，产生的现象不是火，而是通过化学反应变为电能输出。燃料电池与一般传统电池一样，都是将活性物质的化学能转化为电能的装置，因此都属于化学动力源，与一般传统电池不同的是燃料电池本身不具备也不储存活性物质，而只是一个催化转换单元。传统电池除了具有电催化元件外，其本身是活性物质的储存容器，因此，当储存在电池内的活性物质使用完毕后，必须停止使用，当重新补充活性物质后才可以再进行发电使用。相
5、对地，燃料电池则是名副其实的能量转换器，而不是能量储存器，燃料和氧化剂等活性物质都是从燃料电池外部供给的，原则上只要这些活性物质不断地从外部输入，产生的废物不断地排除，燃料电池就能够连续的发电，因此从工作方式上看，它比较接近汽油发电机或者柴油发电机。2.2燃料电池的发电原理及特点燃料电池的工作过程是与电解水正好相反的电化学反应过程：燃料中的氢与氧化剂中析氧分别在电解质两边的正负极上发生反应生成水，同时产生电流。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧
6、同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。如图1所示:图1 燃料电池构造图燃料电池的特点：（1）能量转换效率高 燃料电池能量转换率比热机和发电机能量转换率高的多。目前汽轮机或柴油机的效率最大值为4050%，当用热机带动发电机时，其效率仅为3540%，而燃料电池可达6070%，其理论能量转换效率可达90%，其他物理电池，如温差电池效率为10%，太阳能电池为20%，均无法与燃料电池相比。热力学分析指出，燃料电池不像各类热机那样效率受卡诺循环的限制，不管是低温型的还是高温型的其发电效率一般都可以达到40-70%，能量利用效率一般高于
7、50%，高的可达90%，甚至超过100%。就各类燃料电池系统而言，高温型燃料电池的发电效率和能量利用效率都要显著地高于低温型燃料电池。对低温型，由于燃料需要外重整（有数据指出，燃料进行外重整时的效率一般要比内重整低5-7%）再加上系统内部的消耗如气体循环风扇和控制系统以及燃料电池产生的高熵值的低温废热不能再用于发电，因此其效率只能达到40%；而高温型的燃料电池不仅可以与透平机联用而其产生的是低熵值的高温废热能用于再发电或用作燃料重整的热能，使其发电效率可超过70%，热效率可大于80%（2）污染小、噪声低 燃料电池作为大、中型发电装置使用时其突出的优点是减少污染排放。对于氢燃料电池而言，发电后的
8、产物只有水，可实现零污染。另外，由于燃料电池无热机活塞引擎等机械传动部分，故操作环境无噪声污染。（3）高度可靠性 燃料电池发电装置由单个电池堆叠至所需规模的电池组构成。由于这种电池组是模块结构，因而维修十分方便。另外，当燃料电池的负载有变动时，它会很快响应，故无论吃鱼额定功率以上过在运行或低于额定功率运行，它都能承受且效率变化不大。这种优良性能使燃料电池在用电高峰时可作为调节的储能电池使用。（4）使用能力强 燃料电池使用多种多样的初级燃料，如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油；也可使用发电厂不易使用的低质燃料，如褐煤、废木、废纸，甚至城市垃圾，但需经专门装置对它们重整制取。2.3燃料电池的种类燃料
9、电池的种类很多，而且分类方法也各不相同。根据电解质材料的不同，燃料电池通常可以分为五大类，分别为碱性燃料电池(AFC，Alkahne Fuel Cell)、质子交换膜燃料电池(PEFC，Polymer Eleetrolyte Fuel Cell)、磷酸盐燃料电池(PAFC，Phosphorie Aeid Fuel Cell)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC，Molten Carbonate Fuel Cell)和固体氧化物燃料电池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)。这五种燃料电池的反应原理如表1。燃料电池（Fuel Cell）经历了第1代碱性燃料电池（AFC），第2代磷酸燃
10、料电池（PAFC），第3代熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）后，在20世纪80年代迅速发展起了新型固体氧化物燃料电池(SOFC)。各种燃料电池的反应原理燃料电池阳极反应阴极反应移动的离子质子交换膜燃料电池（PEM）H22H+2e1/2O2+2H+2eH2OH+碱性燃料电池（AFC）H2+2(OH)2H2O+2e1/2O2 +H2O+2e2(OH)(OH)磷酸燃料电池（PAFC）H22H+2e1/2O2+2H+2eH2OH+熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）H2+CO32H2O+CO2+2eCO+CO322CO2+2e1/2O2 + CO2+2eCO32CO32固体氧化物燃料电池（SOFC）H2+O 2
11、2H2O+2eCO +O 22CO2+2eCH4+4O 22H2O+CO2+8e1/2O2+2eO 2O 2三、固体氧化物燃料电池（SOFC）3.1 SOFC的结构固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell ，SOFC) 是通过氢氧反应将化石燃料中的化学能直接转换为电能的电化学装置，其结构简单，由两个多孔电极与电解质结合成三明治结构，主要有4个功能组件：阴极、阳极、电解质和连接体（如图2）。目前最为常见的固体氧化物燃料电池为管状和平板状电池，目前主要研究的为平板状电池。 图2 固体氧化物燃料电池典型结构在阳极一侧持续通入燃料气，例如H2、CH4、煤气等，具有催化作用的阳极
12、表面吸附燃料气体例如氢，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。SOFC工作的时候，电子经过外电路流向阴极，氧离子经电流流向阳极，燃料气通过电池的阳极，扩散到阳极/固体电解质的界反应释放出电子，氧化剂通过电池的阴极，扩散到阴极/固体面，在这里氧气被还原为O2-。阳极释放出的电子经过外电路的电池的阴极，固体电解质则完成了O2-从阴极到阳极的
13、输送过程，流通的回路，产物水由阳极排出。3.2 SOFC的组件（1）SOFC阴极材料阴极又叫空气极，氧气在阴极上还原成氧负离子反应如下：1/2O2(g)+2e- = O2-(s)因此作为阴极材料必须满足以下要求：(1)要求电极材料具有较大的电子电导能力；(2)必须保持维度的稳定性；(3)与电池其它材料具有好的热匹配性；(4)必须与电解质和连接材料具有好的兼容性和低的反应性；(5)应该具有多孔属性，使得氧气能够很快地传送到电解质与阴极界面上。可用作阴极材料的有贵金属，掺锡的ln2O3，掺杂的ZnO2，掺杂的SnO2等。但这些材料或价格昂贵，或热稳定性差，所以20世纪70年代以后就被新开发出来的钙
14、钛矿型氧化物所取代。由于在氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）电解质高温SOFC中，LaCoO3，LaFeO3更容易与YSZ发生反应，在界面上生成电导率很小的LaZr2O7。当Sr掺杂量在0.3左右时，界面反应产生的SrZrO3电导率更低，故此人们常把LSM作为阴极的首选对象。另外掺杂的YMnO3，AgBi1.5Y0.5O3等材料也被认可用作SOFC的阴极材料。（2）SOFC的阳极材料阳极又叫燃料极，从阴极扩散过来的氧负离子在电解质与阳极的界面处发生如下的化学反应：O2-(s)+H2(g)=H2O(g)+2e-因此，阳极材料必须在还原性气氛中具有稳定性、良好的导电性并且电极材料必须具备多孔性以利于把氧
15、化产物从电解质与阳极的界面处释放出来。最早，人们使用焦炭作为阳极，而后采用金属。由于Ni的价格较为便宜，故此被普遍采用。但是Ni的热膨胀系数比YSZ稍大，并且在电池的工作温度下，Ni会发生烧结，从而使得电极的气孔率降低。故此常常把Ni与YSZ粉末混合制成多孔金属陶瓷，YSZ既是Ni的多孔载体，同时又是Ni的烧结抑制剂。而且该材料与YSZ电解质的粘结力好，热膨胀系数匹配。金属陶瓷中，当Ni含量小于30时，离子电导占主导，含量在30以上，电导率有3个数量级以上的突变。Fukui等发现，Ni/YSZ的热膨胀系数随Ni含量的增加而线性增大。综合考虑电导率和热膨胀系数，一般采用Ni占35左右。（3）SO
16、FC电解质材料在SOFC系统中，电解质的主要功能在于传导氧离子。因此要求电解质有较大的离子导电能力和小的电子导电能力；必须是致密的隔离层以防止氧化气体和还原气体的相互渗透；能保持好的化学稳定性和较好的晶体稳定性。随着SOFC研究的不断深入，先后出现了4种电解质材料：ZrO2基固体电解质；CeO2基电解质材料；Bi2O3基电解质材料和LaGaO3基材料。（4）SOFC连接体材料连接材料是SOFC中至关重要的组件之一，不管是管状还是平板状电池构造，连接材料的作用包括两个方面：一方面它提供在一个单电池阳极和邻近单电池阴极之间的电连接，另一方面它起到防止空气极和燃料气还原气氛接触以及燃气电极材料与氧化
17、性气氛接触的作用。连接材料的标准是十分苛刻的。在氧化物和燃料区域之间相当大的氧分压差导致的化学势梯度严重地限制了连接材料的选择。四、燃料电池的制作实验中利用8片电解质材料YSZ和1片阳极材料NiO-YSZ经过单轴压片机压制成型后，共烧结制备直径约为20mm的电解质/阳极半电池圆片，制得半电池圆片后涂敷锰酸镧（LSM）作为阴极。实验中压片机的压力保持8MPa，实验中所使用的流延膜如图(3)(4)所示： 图3 电解质材料YSZ 图4 阳极材料NiO-YSZ阳极/电解质复合基体烧结前如图5所示： 图5阳极/电解质复合基体烧结后如图6所示：图64h5h3h2h烧成制度：25 2200 600 600 10004h6h1h 1000 1450 1450烧成曲线如图7所示： 图77 / 8文档可自由编辑打印