中温固化氧化物原料电池新式阳极材料之制备和特性表征

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1、中温固化氧化物原料电池新式阳极材料之制备和特性表征第一章绪论1.1引言随着科技的发展与社会的进步，能源问题已经日益成为国际社会关注的焦点问题。然而传统的化石能源由于在消耗的过程中产生大量的二氧化碳、氮氧化合物、粉尘以及噪声，严重影响了人类生存环境的质量。因此，高效的，清洁环保的新型能源的发展显得尤为迫在眉睫。燃料电池技术不受卡诺循环的限制，发电效率高，生态环境影响小，所以研究开发以化石能源产品为燃料气的燃料电池技术具有积极且重大的意义。1.2燃料电池简介燃料电池最基本的组件包括电解质，阳极和阴极。它可以将燃料和氧化剂中的化学能直接地转换成电能。在工作时，燃料气在阳极失

2、去电子被氧化，氧气在阴极侧得到电子被还原，氧离子通过致密电解质传输到阳极侧并与生成的离子反应生成产物，同时电子从阳极侧向氧阴极测转移，通过外部电路实现对外的供电。燃料电池相较于普通意义上的电池的区别在于，燃料电池是一种能量的转换装置而不是储存装置，不论燃料或是氧化剂都是直接从外部供给的，如果生成物可以及时从内部排出，也可以不占用电池本身的空间，所以在连续提供燃料气和氧化气的前提下燃料电池可以连续工作。表1.1总结了目前五类燃料电池的工作原理和一些特点[1]。由于固体氧化物燃料电池自身独特的一些优势，正越来越多地受到人们的关注。在本章余下的内容，我们将将介绍固体氧化物燃

3、料电池的工作原理，发展现状和目前存在的热点难点问题。此外还将介绍一些SOFC组件电导率测试的一些电化学手段。1.3固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池是主要由多孔的阴阳极，致密的电解质以及连接材料构成，在高温下操作，并可按照一定的方式组成电池堆。由于全固体和高温操作，相比于其他燃料电池它有自身独特的一些优势[2,3]：(1)操作温度高，因而可以使用非贵金属作为电极催化剂，降低成本；（2)燃料范围广适应性强，可以使用除氬气外的甲醇、天然气、生物之气等碳氢化合物为燃料气；（3)反应排出的高质量的废热可继续利用，与其他系统一起实现热电联供；（4)全固态结构，电池各组件特别是

4、电解质的稳定性高；（5)相比其他燃料电池更高的功率密度；（6)可模块化设计，总容量设计灵活，安置方便。据计算，SOFC仅单循环操作时利用率已超过60%，而循环操作体系的总效率竟高达85%。1.3.1SOFC的工作原理根据电解质传导的载流子的不同，可以将SOFC分成氧离子和质子传导型两种电池。由于本论文的研究对象主要为氧离子传导型的SOFC，所里这里主要介绍氧离子导体型电池的工作原理。图1.1显示的是以氧离子传导型SOFC的工作原理示意图。如图所示，固体氧化物燃料电池的单电池为三明治结构，由两个多孔电极层（阳极和阴极）夹着致密的电解质层构成。氧气在阴极侧得到电子被还原为

5、氧离子，氧离子在电化学势差的驱动下经由电解质到达阳极与燃料气（氧气或碳氧化合物）反应。其中两极得失电子并经由外电路对外供电。1.3.2SOFC的理论电动势SOFC其实可以看作是一个严格意义上的氧浓差电池，由于电解质两侧氧浓度的不同导致了氧化学势差，在一定的化学势差的驱动下，阴极侧（高氧浓度）端的氧气获得电子并被还原为氧离子，氧离子通过电解质的传输到达阳极侧，电子在阴极和阳极的失去和聚集便产生了电势差，在两电极中由于氧的电化学梯度产生的电动势就是其理论电动势。它又可称为热力学的可逆电动势。第二章镜基-镧系氧化物陶瓷阳极探索2.1前言如第一章所述，目前阳极最广泛应用的是镇

6、基金属陶瓷阳极[1-9]。传统的Ni基金属陶瓷阳极有很高的催化活性，且阳极的极化电阻小，因此对它的研究工作比较深入。然而由于金属镇本身没有离子电导，在Ni阳极中三相界(TPB)仅分布在Ni粒子和电解质构成的二维平面上。电化学反应活性位比较有限。由Spaci]提出的复合阳极是一种优化了电荷传输特性（电子和离子导电）和催化特性的一种电极。其由多孔的金属陶瓷、互相连通的Ni金属和氧化物陶瓷组成。目前广泛应用的是Ni/YSZ或Ni/DCO(掺杂Ce02)复合阳极。以Ni/YSZ阳极为例，普遍的观点认为最重要的方面就是提供一个氧离子导电网络[10]，从而将三相界(TPB)从电解

7、质/阳极界面扩展到阳极体内10?20

8、im的深度[4,11-15]。由于电化学活性位的增加使得界面极化电阻大幅下降，电池性能也得到明显的改盖口。DCO在中、低温下具有比YSZ高得多的离子电导率和更优异的催化活性，Ni/DCO阳极从理论上讲应该获得比Ni/YSZ更佳的电极性能。但对此却还存在一些异议。例如，Kadahl等人[8]甚至发现在相同Ni体积含量下，Ni/CGO的界面极化电阻比Ni/YSZ还要高。他们认为原因可能是氧化学势的变化引起过度体积改变，从而导致M/CGO电极较差的热力学稳定性。及其他粉体的制备...........1034.2.2电池