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新型燃料电池：固体氧化物燃料电池 应化134 姓名：吴晓 学号 能源是一个国家发展的不竭动力,现代文明的进步和能源的利用、技术的高度发展有着万千关系。煤(工业的粮食),.石油(工业的血脉),作为传统能源的代表推动整个世界稳步前进。从我们利用能源的方式来讲,我们已经从低端走向高端,到新能源、新材料技术相互推进,交互发展的新时代也给产力的发展带来了重大影响。由于石油、煤炭等传统一次能源面临枯竭,特别是这些资源在使用方法上带来的低效率、高污染等弊端,尤其是近年来我国东部、中部地区长期饱受雾霾的困扰使得低碳经济发展模式受到了市场的热烈追捧。煤和石油等低碳经济的高效使用以及寻找可替代的新型能源是目前国内外热衷于研宄的方向,其中燃料电池技术就是解决能源危机和环境污染的最有效技术之一。 固体燃料电池(SOFC)是一种将化学能直接转化成电能的装置,由于它具有能源转化率高,环境污染少,燃料选择范围宽等优点被誉为21世纪绿色能源。传统的SOFC在高温下(1000°C)因为运行温度高,材料的选择范围窄,成本高等缺点限制了它的发展,因此发展中低温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC 400-800°C)会大大降低材料的成本,加快它的商业化。但是温度的降低也会同时减少阴极材料传输氧离子的能力,因此开发中低温阴极材料成为亟待解决的问题。 固体氧化物燃料电池的工作原理： 固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种以固体氧化物(如YSZ和SDC等)作为电解质材料的电化学的能源转换装置。这种固体电解质在中低温下能够把阴极传递过来的转移到阳极上和生成水,主要起着离子转移的作用。由于电解质两边各是氧化和还原气氛,所以电解质的另一个作用是分隔开这两种不同的气氛。电池符号可以表示为: (+)阴极(空气极)丨电解质1阳极(燃料极)(-) SOFC系统的电化学原理如图2所示： SOFC装置主要由阳极、阴极和电解质组成。在阳极,燃料(如H2)先吸附在阳极表面上,被氧化成同时电离出电子, 与从电解质迁移过来的结合生成水,电离出的电子经过外电路向阴极一侧转移。在阴极上分子吸附在阴极表面上,在阴极表面上被解离,并与外电路的电子结合形成, 由于电解质的两侧存在着电位差和浓度差, 从阴极向阳极一侧扩散,最终与在阳极发生反应,生成H20,同时又放出电子流向阴极。不断反复,因此外电路中会有持续的电流产生。阴阳极上发生的化学反应方程式为: 由此显然可见,SOFC工作中电极并没有发生消耗,输出的电能完全是由燃料和氧化剂反生的反应所转化而来。 固体氧化物燃料电池的分类 氧离子传导型(S0FC-0) 在阳极,燃料(如H2)先吸附在阳极表面上,被氧化成,同时电离出电子,H+与从电解质迁移过来的结合生成水,电离出的电子经过外电路向阴极一侧转移。在阴极上,02分子吸附在阴极表面上,在阴极表面上被解离,并与外电路的电子结合形成,由于电解质的两侧存在着电位差和浓度差, 从阴极向阳极一侧扩散,最终与在阳极发生反应,生成,同时又放出电子流向阴极。阴极过程可表示为: 其它燃料气如C-H类和氨类等都可以在阳极上完成催化分解反应,以CH4为例则在阳极表面上发生如下反应: 阴阳两极通过导线连接,电子由此通过并传送到阴极,水、二氧化碳作为产物由阳极排出。 质子传导型(SOFC-H) 经类燃料子在质子传导型SOFC中要比氧离子的困难,是因为没有氧离子透过电解质到达质子传导型的阳极,使得阳极中所含元素碳更加难以被氧化。使用径类作为燃料气,其中的氢被分解传输到电解质后,剩余的碳元素沉积到阳极表面而阻塞阳极孔道,积碳问题在氧离子型导体电解质中已经很难解决了,在质子传导形的电解质更加难以被消化。但是理论上积碳问题还是可以被解决的,比如可以在经类燃料中混合部分水蒸气,这样积碳可以和水反应,也可被水汽所带走。无论传导型SOFC,它们的电池总反应方程式为: 对于经类燃料,以CH4为例,电池方程式为: 其中We为电池对外电路所做的功,Q为热量 SOFC的优点 SOFC的单电池关键组成部分包括:阳极、电解质、阴极,对于电池堆还需要连接材料。因为SOFC的工作温度比较高(如400-100°c),所以各组成材料必须要满足一定的要求。 阳极材料 在SOFC装置中运行温度内,H2的氧化主要是发生在阳极,所以阳极又被称为燃料电极。所以在选择阳极材料时,要具备以下性能要求:首先材料要具有晶相和化学稳定性,具有良好的催化活性;其次,在阳极上,需要把燃料分解出的电子传输到外电路中,所以选择阳极材料时,这种材料的电子电导率要高;对于电池的其他组分而言,阳极材料与之能够相匹配;阳极材料为了能够适用烃类燃料气,所以要解决它的一个抗积碳能力;最后阳极材料需要解决的一个重要问题是如何降低它的极化电阻。鉴于以上苟刻的要求,目前可用与SOFC