固体氧化物燃料电池电极性能探究.doc

固体氧化物燃料电池电极性能研究 1、相关定义 1.1、燃料电池的基本概念和特点 燃料电池(Fuel Cell)是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的 电化学装置[43]。燃料电池一般是由阴极、阳极和电解质层构成的。燃料在阳 极被氧化失去电子,电子被释放到电路中,阴极处氧得到电子被还原而完成整 个电路的畅通。一般在理论上讲,在燃料连续在连续输入的情况下,燃料电池 也会不断的输出电能,因此燃料电池是一种电化学过程发电。 燃料电池是继水电、风电、核电后的第四代发电装置。因为它是直接从化 学能转化为电能,按照电化学原理进行发电,因而其工作原理是不受卡诺循环 的限制。一般来说,燃料电池与传统发电方式相比具有无可比拟的优势,主要 表现在能量转化率高、环境友好、性能安全可靠等等优点,具体的来说有以下 几个方面[43]: (1) 高效率:作为一种直接将化学能转化为电能的装置,燃料电池是不需 要先转换为热能,从而可以减小了传统的发电方式中先将化学能转化 为热能和机械能后再转化成电能整个过程中造成的对能源的消耗,因 而不再卡诺循环定理的限制,其理论转化率可达 80%以上[43]。 (2) 环保:工作中的燃料电池基本不排放 SOx 和 NOx 等污染气体,相比水 力发电、核力发电以及火力发电,燃料电池性能更安全,同时还具有 噪声低、污染小和安全和低粉尘等的优点。燃料电池在工作中一般只 会排放出一些少量 CO2 气体,这比当前发电方式中像煤发电等燃料发 电方式的温室气体排放量要小很多,这将有效地缓解温室效应[43];燃 哈尔滨工业大学理学硕士学位论文 - 3 - 料电池工作中所需要的燃料都会事先进行脱硫等处理,工作的时候燃 料是不经过燃烧过程的,所以几乎不会排放的氮氧化物和硫氧化物, 因而对环境造成的污染要小很多;此外燃料电池在工作的时候还具有 噪声低的优点[43]。 (3) 燃料使用的多元性:理论上讲,一般燃料都可以用作燃料电池工作燃 料。因此燃料电池符合能源多元化,可以避免主流能源耗竭而对燃料 电池发电带来的影响。 (4) 功率稳定:其它发电方式譬如太阳能发电、风力发电等或多或少的会 对自然条件产生依赖性和受地区差异限制,从而会导致输出功率不稳 定,而燃料电池则不受这些条件的限制而获得稳定的输出功率。 (5) 用途广:燃料电池的发电量是由单节电池的功率和数目决定的,因而 可以保持高发电效率。这使得燃料电池应用于便携式电源、车辆电源 和大型发电厂等等地方成为可能。 然而,燃料电池也是具有优缺点的。限制燃料电池广泛应用的最重要的方 面就是成本太高。由于燃料电池在较高的温度下工作,其电极和电解质材料选 择受到了一定的限制,元件材料性衰退也会非常严重,高温的工作条件下也会 使得燃料电池出现故障的可能性非常大等等这些原因都限制了燃料电池的广 泛应用。 一般来说,燃料电池的分类有很多,其中常见的分类方法是按电解质不同 进行的分类,这种分类方式可以把燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电 池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池五种类 型[43]。每一种类型的燃料电池都有自己的优缺点,可以根据需要应用于不同 领域[45]: (1) 磷酸燃料电池 (PAFC):磷酸燃料电池燃料主要是以天然气、甲醇等 碳氢燃料为主,氧化剂是空气,磷酸为电解质,在 150~ 200温度范 围内工作,发电效率可以达到 40%以上。是当前商业化发展最快的一 种燃料电池。 (2) 碱性燃料电池(AFC):碱性燃料电池是燃料电池技术中发展最快的一 种电池,以氢气为燃料,纯氧为氧化剂,氢氧化钾为电解质,工作的 温度大约 80,主要应用于航天领域中应用较多。 (3) 质子交换膜燃料电池 (PEMFC) :以纯氢气为燃料,工作温度在 30~100,以空气为氧化剂,全氟磺酸为电解质,效率高达 50%, 主要应用于人造卫星等航天领域,成本较高。 (4) 熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC):熔融碳酸盐燃料电池主要以氢气、煤 哈尔滨工业大学理学硕士学位论文 - 4 - 气、天然气为燃料,工作温度在 600~700,效率高达 40%,余热容 易利用,目前正处在工业试验阶段。 (5) 固体氧化物燃料电池(SOFC):以氢气、煤气、天然气等为燃料,空气 为燃料,氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)等为电解质,在 600~1000温度 条件下工作时发电效率高达 50%以上,是一种非常有应用前景的燃料 电池。 1.2、燃料电池的定义 燃料电池(Fuel Cell)是一种高效、低污染的将化学能转化为电能的装置。它不 同于其它类型的化学电池,因为燃料电池用以转化电能的化学能来自燃料和氧化 剂气体的反应能,而不是依靠它自身电极材料在工作过程中的消耗。由于其能量 来源的特点,燃料电池也可看作是一