固體氧化物燃料電池材料固體氧化物燃料電池課件

1、當(dāng)前新材料研究熱點(diǎn)領(lǐng)域：信息技術(shù)領(lǐng)域與信息材料世所公認(rèn)，我們當(dāng)前是處于信息時(shí)代， 即以信息技術(shù)為時(shí)代特征。信息技術(shù)主要是指信息的獲取、傳遞、處理、存儲(chǔ)、顯示等技術(shù)，包括微電子技術(shù)，光電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，軟件技術(shù)，通訊技術(shù)，輻射成像技術(shù)，高清晰度電視技術(shù)等，以這些技術(shù)為基礎(chǔ)，互相交叉，形成現(xiàn)代信息高技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。這些技術(shù)的發(fā)展的基于種種新型材料，這些材料主要包括： 半導(dǎo)體材料和集成電路、微電子工業(yè) 激光材料與非線性光學(xué)材料信息傳感與傳感器技術(shù)材料 半導(dǎo)體發(fā)光材料、液晶顯示材料與感光材料 信息傳輸材料：石英光纖，非氧化物玻璃纖維，有機(jī)聚合物光纖 信息存儲(chǔ)材料：磁記錄材料、磁光記錄材料、光存儲(chǔ)材料新

2、型半導(dǎo)體材料與大規(guī)模三維集成電路元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體：Si， Ge，金剛石, IIIV、IIVI族化 合物單晶硅Si材料，直徑，1970年50mm；1985年150mm； 2000 年225mm集成電路集成度：1987年 100萬晶體管/平方厘米,2000 年1000萬(1024K)IBM預(yù)測, 2007年, 設(shè)計(jì)線寬將達(dá)到0.01 微米, 芯 片上可集成10億晶體管 GaAs為第二代半導(dǎo)體, 可在300-500 使用, 運(yùn)算頻率可達(dá)2000 Mhz而 Si 僅可工作在250以下,頻率僅為300 MHz GaN為第三代化合物半導(dǎo)體 ,工作放熱有可能使電路失效, 發(fā)展高熱導(dǎo)的II型金剛石是個(gè)

3、方向 CVD法金剛石薄膜和AlN薄膜,將有效的提高了集成度 三維電路要求高性能襯底材料和高熱導(dǎo)封裝材料的研發(fā) 鐵電-Si微集成系統(tǒng), 具有良好系統(tǒng)功能, 成為當(dāng)前的研制熱點(diǎn) 信息傳輸光纖材料 多模光纖、新型色散補(bǔ)償光纖與色散管理光纖、稀土摻雜光纖和高聚合物光纖和其他特種微氣孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖；特別是光纖預(yù)制棒制造技術(shù)是光纖制造技術(shù)的核心，也一直是我國光纖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最薄弱環(huán)節(jié)新型能源材料 目前地球上的主要能源化石燃料（煤、石油、天然氣等）存在的主要問題是： 利用效率低 應(yīng)用技術(shù)落后，對(duì)環(huán)境造成污染（煙塵、有害氣體等） 未開采的儲(chǔ)量已經(jīng)不多，終將消耗 因而，開發(fā)新能源和節(jié)能技術(shù)是當(dāng)前始終如一的研究

4、課題， 涉及種類繁多的新材料：核能技術(shù)材料（陶瓷核燃料，核反應(yīng)堆容器材料）儲(chǔ)氫材料（SmCo5，NbTi合金）燃料電池材料（電解質(zhì)、陰極、陽極、連接材料、密封材料)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備材料（高強(qiáng)度輕質(zhì)復(fù)合材料）太陽電池材料（Si，aSi， CdSe， GaAs）超導(dǎo)輸電線材料鎳氫電池、鋰離子電池相關(guān)材料 固體氧化物燃料電池是一種新型綠色能源裝置，比質(zhì)子交換膜燃料電池有更高的轉(zhuǎn)換效率和節(jié)能效果，可減少二氧化碳排放 50%，不產(chǎn)生NOx，已成為發(fā)達(dá)國家重點(diǎn)研究開發(fā)的新能源技術(shù)。但目前研究的固體氧化物燃料電池的工作溫度達(dá)800900，其關(guān)鍵部件的材料制備總是成為制約固體氧化物燃料電池發(fā)展的瓶頸。應(yīng)突破的關(guān)鍵

5、技術(shù)主要有：a）高性能電極材料及其制備技術(shù)；b）新型電解質(zhì)材料及電極支撐電解質(zhì)隔膜的制備技術(shù)；c）電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其制備技術(shù)；d）電池的結(jié)構(gòu)、性能與表征的研究。 固體氧化物燃料電池的研究十分活躍，關(guān)鍵是電池材料，如固體電解質(zhì)薄膜和電池陰極材料，還有質(zhì)子交換膜型燃料電池用的有機(jī)質(zhì)子交換膜等，都是目前研究的熱點(diǎn)。 固體氧化物燃料電池材料 固體氧化物燃料電池（SOFC）工作原理陽極氧離子固體電解質(zhì)陰極內(nèi)重整CH4H2OCOCO2H2H2OO2電子固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)（1）管狀SOFC電池結(jié)構(gòu)示意圖 多孔支撐管空氣燃料氣Ni接觸桿陰極LSMNi-YSZ陽極YSZ電解質(zhì)膜固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)（

6、2）自支撐型平板式SOFC 單晶硅，多晶硅，非晶硅太陽電池材料； IIVI族化合物半導(dǎo)體太陽電池材料：ZnSe， CdTe。要求：研制出光電轉(zhuǎn)換效率大于 18%的低成本、大面積、可商業(yè)化的硅基太陽能電池及其組件。 IBM公司研制的多層復(fù)合太陽能電池，轉(zhuǎn)換率高達(dá)40%。 太陽能的綜合利用 (光電、熱電、熱交換)及其與風(fēng)力發(fā)電的耦合技術(shù)；建立總體利用效率達(dá)15%的追尾聚集光式太陽能光電、熱電、熱交換系統(tǒng)并實(shí)用化，建立太陽能綜合利用與風(fēng)力發(fā)電耦合的實(shí)用型分布式地面電站，并可并網(wǎng)供電。 太陽能利用技術(shù) 以NbTi、Nb3Sn為代表的實(shí)用超導(dǎo)材料已實(shí)現(xiàn)了商品化，在核磁共振人體成像（NMRI）、超導(dǎo)磁體及

7、大型加速器磁體等多個(gè)領(lǐng)域獲得了應(yīng)用；但是，由于常規(guī)低溫超導(dǎo)體的臨界溫度太低，必須在昂貴復(fù)雜的液氦(4.2K)系統(tǒng)中使用，因而嚴(yán)重地限制了低溫超導(dǎo)應(yīng)用的發(fā)展。 高溫氧化物超導(dǎo)體，把超導(dǎo)應(yīng)用溫度從液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K）溫區(qū)。能夠用來產(chǎn)生20T以上的強(qiáng)磁場，這正好克服了常規(guī)低溫超導(dǎo)材料的不足之處。高溫氧化物超導(dǎo)體是非常復(fù)雜的多元體系，一些材料科學(xué)研究領(lǐng)域最新的技術(shù)和手段，如非晶技術(shù)、納米粉技術(shù)、磁光技術(shù)、隧道顯微技術(shù)及場離子顯微技術(shù)等都被用來研究高溫超導(dǎo)體，其中許多研究工作都涉及了材料科學(xué)的前沿問題。高溫超導(dǎo)材料的研究工作已在單晶、薄膜、體材料、線材和應(yīng)用等方面取得了重要進(jìn)展。 超導(dǎo)

8、材料 作為高技術(shù)重要組成部分的生物醫(yī)用材料已進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的新階段，其市場銷售額正以每年16%的速度遞增，預(yù)計(jì)20年內(nèi)，生物醫(yī)用材料所占的份額將趕上藥物市場，成為一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。研究發(fā)展十分活躍： 生物活性陶瓷已成為醫(yī)用生物陶瓷的主要方向； 生物降解高分子材料是醫(yī)用高分子材料的重要方向； 醫(yī)用復(fù)合生物材料的研究重點(diǎn)是強(qiáng)韌化生物復(fù)合材料 功能性生物復(fù)合材料， 帶有治療功能的生物復(fù)合材料。 生物醫(yī)用材料 定義：指對(duì)能源和資源消耗最少，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響最小，再生循環(huán)利用率最高，使用性能優(yōu)異的新型材料。特點(diǎn)：性能先進(jìn)性；環(huán)境協(xié)調(diào)性；應(yīng)用舒適性。 生態(tài)環(huán)境材料是20世紀(jì)90年代在國際高技術(shù)新材料研究中形成

9、的一個(gè)新領(lǐng)域，主要研究方向是：直接面臨的與環(huán)境問題相關(guān)的材料技術(shù)，例如，生物可降解材料技術(shù)，CO 2 氣體的固化技術(shù)，SOx、NOx催化轉(zhuǎn)化技術(shù)、廢物的再資源化技術(shù)，環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)，材料制備加工中的潔凈技術(shù)以及節(jié)省資源、節(jié)省能源的技術(shù)；開發(fā)能使經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境協(xié)調(diào)性材料，如仿生材料、環(huán)境保護(hù)材料、氟里昂、石棉等有害物質(zhì)的替代材料、綠色新材料等；材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)。 生態(tài)環(huán)境材料 智能材料是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。 智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。如

10、英國宇航公司在導(dǎo)線傳感器，用于測試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；英國開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動(dòng)器時(shí)、反應(yīng)時(shí)間僅為10分鐘；壓電材料、磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅(qū)動(dòng)組件材料在航空上的應(yīng)用取得大量創(chuàng)新成果。 智能材料 先進(jìn)材料的歷史性發(fā)展與“材料科學(xué)與工程”學(xué)科年代事件1940Shottky等發(fā)明了Ge 半導(dǎo)體三極管，人類進(jìn)入了半導(dǎo)體時(shí)代1954發(fā)現(xiàn)了Si 材料， 取之不盡、用之不竭的IC基礎(chǔ)材料1960紅寶石的問世，出現(xiàn)了激光技術(shù)1957-1960美國第一批（5所）高校組建了“材料科學(xué)與工程”系多學(xué)科人才聯(lián)合攻關(guān)的

11、“國家實(shí)驗(yàn)室”： Argonne Lab（芝加哥），Lorenz Lab（加州）， Bell Telephone Lab. Oak- Ridge Lab， 對(duì)綜合性學(xué)科知識(shí)人才的需求- 新學(xué)科的誕生:” “材料科學(xué)與工程”學(xué)科: 綜合性、交叉性、邊緣性、應(yīng)用性定義：關(guān)于材料的合成、制備、組成、結(jié)構(gòu)（包括缺欠）、性能和應(yīng)用及其 相互關(guān)系的學(xué)科， 其基本宗旨是研發(fā)、利用新材料 19571960年 美國第一批（5所）高校組建了“材料科學(xué)與工程”系材料工程(工藝)與制備技術(shù)： 材料工程(工藝)這一主題,常常構(gòu)成材料科學(xué)與工程中一個(gè)頗為突出的矛盾體。 一方面材料工藝被認(rèn)為是材料科學(xué)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)； 因?yàn)?/p>

12、材料的性能對(duì)工藝過程有明顯的依賴性，工藝是確定材料 能否推向預(yù)期市場的決定因素，陶瓷材料尤其如此。 另一方面，與工藝的重要性這一普遍認(rèn)識(shí)相反，要找找到有關(guān)這一主題的系統(tǒng)文獻(xiàn)，或者說非常準(zhǔn)確的工程參數(shù)，并不容易，盡管近些年來有所發(fā)展和改進(jìn)。 這主要是因?yàn)椋?人們往往根據(jù)實(shí)用準(zhǔn)則來評(píng)判（陶瓷）材料工藝，一個(gè)產(chǎn)品的成功往往由最后質(zhì)量衡量，而很少通過形成過程構(gòu)思的“精巧”或論證的“嚴(yán)謹(jǐn)”來體現(xiàn)。如果性能不好，往往原來構(gòu)思就被否定，過程中的“變化”常常被忽略。實(shí)際上在制備過程中，涉及許多制備技術(shù)、工藝手段和“Know How”。如此，阻礙了工藝的發(fā)展。 專利制度： 追求目標(biāo)不太成功，就可能像所述那樣否定

13、原來構(gòu)思，或大談自己的經(jīng)驗(yàn)，而缺乏把各種變量結(jié)合而縱觀分析提升；一旦達(dá)到追求目標(biāo)，又專成專利，為了保密而保持沉默。工藝過程復(fù)雜，工藝過程是多變量，結(jié)果也可能取決于局部因素，甚至非可控因素，造成結(jié)果的離散性，難于短期內(nèi)總結(jié)、提高。工藝技能常常是由技術(shù)“訣竅”表示，而不是用建立成熟、系統(tǒng)的學(xué)科理論表示，也就是常說的“熟能生巧”?？傊に囘^程非常重要，但由于種種原因，在教科書、文獻(xiàn)中常常一筆代過，所有這些，都給材料工程的系統(tǒng)發(fā)展帶來困難。 制造 結(jié)構(gòu) 物性通過結(jié)構(gòu)控制,達(dá)到所需物性；通過對(duì)物性得要求,設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu),選擇制造方法,從而制造出新材料。結(jié)構(gòu)控制選擇制造方法規(guī)定物性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程主要章節(jié)內(nèi)容：主要參考書：1M.N.Rahaman, Ceramic Processing and Sintering (2003年第二版)2Alain C. Pierre, Introduction to Sol-Gel Processing (1998年)3Jame S.Reed, Principles of Ceramics Processing (1995年第二版)4Burtrand I.Lee, Edward J.A. Pope, Chemical processing