低温固体氧化物燃料电池物理化学读书报告

物理化学读书报告低温固体氧化物燃料电池姓名：学号：班级：1低温固体氧化物燃料电池摘要：固体氧化物燃料电池是一种将化石燃料中的化学能通过电极反应直接转换为电能的电化学装置，是目前最有前景的分布式电源之一。低温固体氧化物燃料电池具有燃料适应性强、固体电解质稳定性好、功率密度高、环境友好无污染、尺寸和发电功率可灵活缩放、可实现热电联供等优点，克服了传统高温固体氧化物燃料电池在材料选择、电池制备和电站维护方面的困难，是目前燃料电池的发展趋势。固体氧化物燃料电池作为新型的能源转换装置，具有高效、清洁、稳定性高、灵活多样等特点，有着良好的发展前景。它的中低温化对于商业应用具有十分重要的意义。关键词：固体氧化物燃料电池电解质阴极阳极1前言随着现代工业的发展，煤、石油、天然气等化石燃料的短缺和它们自身带来的环境污染等问题使得人们需要去寻找高效的能源转换方式和清洁的可替代新能源。通过电化学反应，燃料电池可将燃料中的化学能高效转换为电能。其中，固体氧化物燃料电池(SOFCs)是以氢或者碳氢化合物等为燃料的高效能量转换装置。SOFCs具有燃料适应性强，固体电解质稳定性好，功率密度高，环境友好无污染，尺寸和发电功率的灵活缩放，可实现热电联供等优点。将SOFCs的操作温度从传统的800—1000℃，降低到600℃以下的中低温，可以降低电池的启动温度和时间，有效地降低各个部件的老化速率，提高SOFCs的稳定性和延长寿命，还可以使用廉价的不锈钢等作为连接材料，大大降低成本，为SOFCs的商业化提供有利条件。2电解质概述氧化锆基材料是最先作为SOFCs电解质的，常用的如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)和氧化钪稳定的氧化锆(ScSZ)，使用这种电解质的SOFCs工作温度通常在800—1000℃。而氧化铈基电解质的电导率要高得多，如氧化钐掺杂的氧化2铈(SDC)，因此成为重要的中低温SOFCs的电解质材料。它不仅能够减小电池的电解质电阻，也会降低电极电阻，通常极化电阻随电解质的导电率的上升而下降。其他类型的电解质如Sr和Mg掺杂的LaGaO3(LSGM)虽然电导率也较高，但是容易和阳极中的Ni发生反应。而中低温段电导率最高的氧化铋基电解质，在阳极还原性气氛下容易生成金属铋，导致电阻迅速上升。所以氧化铈基材料目前最广泛的被作为中低温SOFCs电解质使用。3低温SOFCs阴极3.1钙钛矿阴极在钙钛矿阴极中，过渡元素B对催化活性影响显著，其顺序为CoMnFeCr。B=Co、Mn和Fe时的代表性氧化物分别为钴酸锶镧(LSC，通常为La0.6Sr0.4CoO3－δ)、锰酸锶镧(LSM，通常为La0.8Sr0.2MnO3－δ)和铁酸锶镧(LSF，通常为La0.7Sr0.3FeO3－δ)。在锰酸盐、铁酸盐和钴酸盐等钙钛矿型氧化物阴极材料中，Co基材料具有最高的表面氧交换系数、氧离子电导率和电子电导率，因此能够大幅度提高阴极的催化活性。不幸的是LSC的热膨胀系数为20.5×10－6K－1，Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3－δ的为19.7×10－6K－1，它们约为DCO电解质的(10.8×10－6K－1)两倍。而电解质层和电极层的热膨胀系数不匹配，在升温降温过程中，必然导致其中一层的开裂或剥离，在阳极或电解质支撑的SOFCs中，其结果表现为电极性能不稳定。虽然LSM阴极的热膨胀系数与电解质材料较匹配，但是它的电催化活性低(相对低的电子电导率、较低的表面氧交换系数和可以忽略不计的氧离子电导率)，导致SOFCs的性能变差。特别是当温度低于800℃时，阴极界面电阻很大。3.2离子浸渍阴极为了提高阴极活性，同时尽可能保持阴极的长期稳定性，目前广泛采用的复合(复相)阴极如LSC-DCO也可以降低热膨胀系数，但是效果有限，其热膨胀系数介于DCO和LSC之间，并且与组成相关，这也成为SOFCs反复热启动性能差和长期稳定性有待提高的重要原因之一。为此提出一种新结构的浸渍阴极，它是由催化剂层与电解质层复合而成。4低温SOFCs阳极阳极的极化电阻通常比阴极小很多，有时可以忽略不计，但是阳极是燃料气3发生反应的场所，在中低温度下，如何适应不同的燃料气氛，避免发生积炭、硫中毒等现象，是目前研究的重点。实验中，通过加入不同的金属(例如铜，钌等)，或者对微结构进行优化，都有可能实现阳极对碳氢化合物的适应性。传统的阳极以镍为基本材料，向其中添加电解质材料(YSZ，DCO等)，实现离子-电子混合导电，不仅为离子的传导提供通道，增加阳极三项界面的长度，同时也使得阳极和电解质在热膨胀系数和化学相容上更加匹配。实验发现，如果采用Ni和DCO电解质的复合阳极，在直接使用碳氢化合物燃料时，容易产生碳的沉积。碳不仅沉积在阳极表面，覆盖电化学反应活性位，同时能够进入Ni粒子晶格内，过饱和后析出，破坏阳极结构，导致电池性能的迅速衰减。Ni是裂解反应催化剂在SOFCs温度下，催化裂解碳氢化合物，生成碳沉积，包括碳纳米管。如果把Ni替换成裂解催化惰性的Cu，或与其他金属组成合金阳极，降低其裂解活性，就可以有效地抑制积炭的形成。如果在Ni基阳极上添加Ru-CeO2催化层，燃料气在该层重整，然后进入阳极，也可以防止积炭的形成。在Ni-SDC阳极上，制备了一层花状CeO2和Ru联合的催化层，达到了抑制积炭的目的，在使用异辛烷作燃料时，Ru-CeO2层很好地进行了重整，Ni-SDC上不产生碳沉积，600℃时的最大功率密度达到390mW·cm－2。5其他类型低温SOFCs5.1单室SOFCs除了传统的实验室平板状固体氧化物燃料电池，SOFCs又发展出许多新的方向，例如阳极和阴极在同一气室的单室固体氧化物燃料电池(SC-SOFC)，电解质厚度在1μm以下的微燃料电池等。单室SOFC是将阴阳极同时暴露在一个气室中，通入燃料气和空气的混合气，作为阳极和阴极的气氛，它的基本原理是基于阴阳极对混合气不同的催化选择性，具有启动迅速，结构简单，防止积炭等优点。由于不需要电解质将阴阳极隔开，所以SC-SOFC的电解质不需要完全致密，氧化铈基电解质也经常作为中低温SC-SOFC的电解质材料。5.2微型SOFCs传统的SOFCs体积庞大而且工作温度高，新研发出的微型固体氧化物燃料电池(μ-SOFC)，通过降低电解质层的厚度，缩短了氧离子扩散的路径，不仅在电池体积上大大缩小，而且可以将操作温度降低到500℃以下的低温。μ-SOFC4的电解质层乃至电极层都非常薄(一般在1μm以下)，通常需要硅晶片、玻璃陶瓷或者多孔镍作为衬底将薄膜一层层镀上去，常用的方法有溅射、平板印刷、刻蚀等。由于电解质本身厚度的降低大大减小了电阻，所以无论是锆基电解质还是氧化铈基电解质作为电解质材料时都可以使电池的工作温度控制在500℃以下。6总结选择合适的材料，对微结构的优化和电池整体构架的改进，可以在不降低电极催化活性的前提下，有效地降低各部分电阻，从而将SOFCs的操作温度降低到600℃以下。DCO材料在中低温有较高的电导率，可以作为合适的电解质。如果能通过制备工艺的改进降低电解质厚度，并且消除DCO电解质的电子电导，对SOFCs的发展将有很大的促进。电极方面，钴系阴极具有较好的电化学性能，通过制备复合阴极能增强它与电解质材料的匹配度。离子浸渍法可以通过对电极微结构的改进，有效地延长三相界面，增加反应活性位，降低电极电阻，并抑制阳极积炭的产生。新发展出的单室SOFCs和微型SOFCs由于自身的优点，操作温度都相对较低，可以作为SOFCs新的发展方向。如果能够解决相应的问题，使SOFCs在低温能够高效、稳定的运行，它将有一个广阔的应用前景。致谢：感谢四川农业大学理学院***在物理化学课上的悉心指导与讲解，在物理化学课上我学习了很多有用的知识，这些知识对我今后的学习与工作都有很重要的影响。感谢老师的教导，老师您辛苦了！