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科技方法訓練實踐報告實驗題目 燃料電池的制備 專業(yè)班級 11應用物理 姓名 廖魏 學號 201110250102 指導教師 徐序 完成時間 2014.10.28 摘要：目前世界現(xiàn)有的石化能源遠不能滿足人們的需要，燃料電池是的開發(fā)和應用從一定程度上緩解即將出現(xiàn)的能源危機。燃料電池不僅利用率高，而且可以實現(xiàn)零污染，是一項非常好的能量來源。目前世界各國對燃料電池的研究十分熱，燃料電池的發(fā)展前景是十分可觀的。關鍵詞：燃料電池 能源 電解質一、論文的意義能源日趨緊張，化石燃料行將耗盡，氫能作為未來能源的有效解決方案逐漸得到重視，氫必將成為世界燃料和能源的主流。 氫基燃料電池作為氫能領域重要技術支撐經(jīng)歷了第一代磷酸燃料電池( PAFC) ，第二代熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) ，發(fā)展到了第三代固體氧化物燃料電池(SOFC)。SOFC 由于有很多相對優(yōu)勢而得到關注。 與以燃燒為基礎的傳統(tǒng)發(fā)電相比，SOFC 沒有燃燒過程和機械運動，極大地降低了化石燃料在能量轉換中的能量損失和對生態(tài)環(huán)境的破壞，從而使其具有運轉穩(wěn)定、高效率(40 %60 %) 、零污染、無噪音等特點；與低溫工作的質子膜燃料電池(PEMFC) 相比，除其高效率外，SOFC 還避免了只能使用貴金屬電極材料(如Pt ) 的局限性，消除了CO 對電極的毒化，降低了對燃料質量的要求，增加了燃料選擇的靈活性(如天然氣、煤氣、生物質氣體、柴油以及其他碳氫化合物) ；與相對高溫工作的熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 相比，SOFC 具有更高的功率密度，沒有液態(tài)的熔鹽腐蝕介質，避免了燃料電池材料的熱腐蝕。固體氧化物燃料電池按照支撐材料的不同可分為三種結構模式：電解質負載型、陰極負載型、陽極負載型。其中陽極負載型固體氧化物燃料電池以其電池內(nèi)阻低，操作溫度低，功率密度高，工藝簡單，價格低廉等特點而逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點，陽極支撐型的平板式SOFC已經(jīng)成為當前國際上SOFC研究的重要方向。但由于此種結構的電池其反應阻力主要集中于陽極，因此對陽極結構和性能提出了更高的要求，有關陽極結構的研究也日趨活躍。二、燃料電池2.1燃料電池概念燃料電池: 燃料電池的名稱是由L. Mond和C. Langer兩位化學家首先提出的。燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結合在一起的裝置。它的結構與普通電池相同，也有陰極、陽極，通過電解質將兩電極隔開，但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來進行“燃燒”，當然，產(chǎn)生的現(xiàn)象不是火，而是通過化學反應變?yōu)殡娔茌敵觥Ｈ剂想姵嘏c一般傳統(tǒng)電池一樣，都是將活性物質的化學能轉化為電能的裝置，因此都屬于化學動力源，與一般傳統(tǒng)電池不同的是燃料電池本身不具備也不儲存活性物質，而只是一個催化轉換單元。傳統(tǒng)電池除了具有電催化元件外，其本身是活性物質的儲存容器，因此，當儲存在電池內(nèi)的活性物質使用完畢后，必須停止使用，當重新補充活性物質后才可以再進行發(fā)電使用。相對地，燃料電池則是名副其實的能量轉換器，而不是能量儲存器，燃料和氧化劑等活性物質都是從燃料電池外部供給的，原則上只要這些活性物質不斷地從外部輸入，產(chǎn)生的廢物不斷地排除，燃料電池就能夠連續(xù)的發(fā)電，因此從工作方式上看，它比較接近汽油發(fā)電機或者柴油發(fā)電機。2.2燃料電池的發(fā)電原理及特點燃料電池的工作過程是與電解水正好相反的電化學反應過程：燃料中的氫與氧化劑中析氧分別在電解質兩邊的正負極上發(fā)生反應生成水，同時產(chǎn)生電流。工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣）。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電。如圖1所示:圖1 燃料電池構造圖燃料電池的特點：（1）能量轉換效率高 燃料電池能量轉換率比熱機和發(fā)電機能量轉換率高的多。目前汽輪機或柴油機的效率最大值為4050%，當用熱機帶動發(fā)電機時，其效率僅為3540%，而燃料電池可達6070%，其理論能量轉換效率可達90%，其他物理電池，如溫差電池效率為10%，太陽能電池為20%，均無法與燃料電池相比。熱力學分析指出，燃料電池不像各類熱機那樣效率受卡諾循環(huán)的限制，不管是低溫型的還是高溫型的其發(fā)電效率一般都可以達到40-70%，能量利用效率一般高于50%，高的可達90%，甚至超過100%。就各類燃料電池系統(tǒng)而言，高溫型燃料電池的發(fā)電效率和能量利用效率都要顯著地高于低溫型燃料電池。對低溫型，由于燃料需要外重整（有數(shù)據(jù)指出，燃料進行外重整時的效率一般要比內(nèi)重整低5-7%）再加上系統(tǒng)內(nèi)部的消耗如氣體循環(huán)風扇和控制系統(tǒng)以及燃料電池產(chǎn)生的高熵值的低溫廢熱不能再用于發(fā)電，因此其效率只能達到40%；而高溫型的燃料電池不僅可以與透平機聯(lián)用而其產(chǎn)生的是低熵值的高溫廢熱能用于再發(fā)電或用作燃料重整的熱能，使其發(fā)電效率可超過70%，熱效率可大于80%（2）污染小、噪聲低 燃料電池作為大、中型發(fā)電裝置使用時其突出的優(yōu)點是減少污染排放。對于氫燃料電池而言，發(fā)電后的產(chǎn)物只有水，可實現(xiàn)零污染。另外，由于燃料電池無熱機活塞引擎等機械傳動部分，故操作環(huán)境無噪聲污染。（3）高度可靠性 燃料電池發(fā)電裝置由單個電池堆疊至所需規(guī)模的電池組構成。由于這種電池組是模塊結構，因而維修十分方便。另外，當燃料電池的負載有變動時，它會很快響應，故無論吃魚額定功率以上過在運行或低于額定功率運行，它都能承受且效率變化不大。這種優(yōu)良性能使燃料電池在用電高峰時可作為調節(jié)的儲能電池使用。（4）使用能力強 燃料電池使用多種多樣的初級燃料，如天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油；也可使用發(fā)電廠不易使用的低質燃料，如褐煤、廢木、廢紙，甚至城市垃圾，但需經(jīng)專門裝置對它們重整制取。2.3燃料電池的種類燃料電池的種類很多，而且分類方法也各不相同。根據(jù)電解質材料的不同，燃料電池通?？梢苑譃槲宕箢悾謩e為堿性燃料電池(AFC，Alkahne Fuel Cell)、質子交換膜燃料電池(PEFC，Polymer Eleetrolyte Fuel Cell)、磷酸鹽燃料電池(PAFC，Phosphorie Aeid Fuel Cell)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC，Molten Carbonate Fuel Cell)和固體氧化物燃料電池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)。這五種燃料電池的反應原理如表1。燃料電池（Fuel Cell）經(jīng)歷了第1代堿性燃料電池（AFC），第2代磷酸燃料電池（PAFC），第3代熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）后，在20世紀80年代迅速發(fā)展起了新型固體氧化物燃料電池(SOFC)。各種燃料電池的反應原理燃料電池陽極反應陰極反應移動的離子質子交換膜燃料電池（PEM）H22H+2e1/2O2+2H+2eH2OH+堿性燃料電池（AFC）H2+2(OH)2H2O+2e1/2O2 +H2O+2e2(OH)(OH)磷酸燃料電池（PAFC）H22H+2e1/2O2+2H+2eH2OH+熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）H2+CO32H2O+CO2+2eCO+CO322CO2+2e1/2O2 + CO2+2eCO32CO32固體氧化物燃料電池（SOFC）H2+O 22H2O+2eCO +O 22CO2+2eCH4+4O 22H2O+CO2+8e1/2O2+2eO 2O 2三、固體氧化物燃料電池（SOFC）3.1 SOFC的結構固體氧化物燃料電池( Solid Oxide Fuel Cell ，SOFC) 是通過氫氧反應將化石燃料中的化學能直接轉換為電能的電化學裝置，其結構簡單，由兩個多孔電極與電解質結合成三明治結構，主要有4個功能組件：陰極、陽極、電解質和連接體（如圖2）。目前最為常見的固體氧化物燃料電池為管狀和平板狀電池，目前主要研究的為平板狀電池。 圖2 固體氧化物燃料電池典型結構在陽極一側持續(xù)通入燃料氣，例如H2、CH4、煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體例如氫，并通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極一側持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學勢的作用下，O2-進入起電解質作用的導體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界氣體發(fā)生反應，失去的電子通過外電路回到陰極。SOFC工作的時候，電子經(jīng)過外電路流向陰極，氧離子經(jīng)電流流向陽極，燃料氣通過電池的陽極，擴散到陽極/固體電解質的界反應釋放出電子，氧化劑通過電池的陰極，擴散到陰極/固體面，在這里氧氣被還原為O2-。陽極釋放出的電子經(jīng)過外電路的電池的陰極，固體電解質則完成了O2-從陰極到陽極的輸送過程，流通的回路，產(chǎn)物水由陽極排出。3.2 SOFC的組件（1）SOFC陰極材料陰極又叫空氣極，氧氣在陰極上還原成氧負離子反應如下：1/2O2(g)+2e- = O2-(s)因此作為陰極材料必須滿足以下要求：(1)要求電極材料具有較大的電子電導能力；(2)必須保持維度的穩(wěn)定性；(3)與電池其它材料具有好的熱匹配性；(4)必須與電解質和連接材料具有好的兼容性和低的反應性；(5)應該具有多孔屬性，使得氧氣能夠很快地傳送到電解質與陰極界面上?？捎米麝帢O材料的有貴金屬，摻錫的ln2O3，摻雜的ZnO2，摻雜的SnO2等。但這些材料或價格昂貴，或熱穩(wěn)定性差，所以20世紀70年代以后就被新開發(fā)出來的鈣鈦礦型氧化物所取代。由于在氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）電解質高溫SOFC中，LaCoO3，LaFeO3更容易與YSZ發(fā)生反應，在界面上生成電導率很小的LaZr2O7。當Sr摻雜量在0.3左右時，界面反應產(chǎn)生的SrZrO3電導率更低，故此人們常把LSM作為陰極的首選對象。另外摻雜的YMnO3，AgBi1.5Y0.5O3等材料也被認可用作SOFC的陰極材料。（2）SOFC的陽極材料陽極又叫燃料極，從陰極擴散過來的氧負離子在電解質與陽極的界面處發(fā)生如下的化學反應：O2-(s)+H2(g)=H2O(g)+2e-因此，陽極材料必須在還原性氣氛中具有穩(wěn)定性、良好的導電性并且電極材料必須具備多孔性以利于把氧化產(chǎn)物從電解質與陽極的界面處釋放出來。最早，人們使用焦炭作為陽極，而后采用金屬。由于Ni的價格較為便宜，故此被普遍采用。但是Ni的熱膨脹系數(shù)比YSZ稍大，并且在電池的工作溫度下，Ni會發(fā)生燒結，從而使得電極的氣孔率降低。故此常常把Ni與YSZ粉末混合制成多孔金屬陶瓷，YSZ既是Ni的多孔載體，同時又是Ni的燒結抑制劑。而且該材料與YSZ電解質的粘結力好，熱膨脹系數(shù)匹配。金屬陶瓷中，當Ni含量小于30時，離子電導占主導，含量在30以上，電導率有3個數(shù)量級以上的突變。Fukui等發(fā)現(xiàn)，Ni/YSZ的熱膨脹系數(shù)隨Ni含量的增加而線性增大。綜合考慮電導率和熱膨脹系數(shù)，一般采用Ni占35左右。（3）SOFC電解質材料在SOFC系統(tǒng)中，電解質的主要功能在于傳導氧離子。因此要求電解質有較大的離子導電能力和小的電子導電能力；必須是致密的隔離層以防止氧化氣體和還原氣體的相互滲透；能保持好的化學穩(wěn)定性和較好的晶體穩(wěn)定性。隨著SOFC研究的不斷深入，先后出現(xiàn)了4種電解質材料：ZrO2基固體電解質；CeO2基電解質材料；Bi2O3基電解質材料和LaGaO3基材料。（4）SOFC連接體材料連接材料是SOFC中至關重要的組件之一，不管是管狀還是平板狀電池構造，連接材料的作用包括兩個方面：一方面它提供在一個單電池陽極和鄰近單電池陰極之間的電連接，另一方面它起到防止空氣極和燃料氣還原氣氛接觸以及燃氣電極材料與氧化性氣氛接觸的作用。連接材料的標準是十分苛刻的。在氧化物和燃料區(qū)域之間相當大的氧分壓差導致的化學勢梯度嚴重地限制了連接材料的選擇。四、燃料電池的制作實驗中利用8片電解