【正文】 導師嚴謹?shù)那髮W態(tài)度，豐富的專業(yè)知識，高尚的品德情操，這都是我今后將不斷學習的。 SOFC 不需要使用昂貴的貴金屬催化劑 ， 使用全固態(tài)組件 ， 不存在腐蝕、泄露等問題 ， 規(guī)模和 安裝地點靈活。所以使用液體碳氫化合物為燃料的 SOFC 目前也成為研究開發(fā)的熱點。自從發(fā)現(xiàn) ZrO2與 Y2O3 可以形成高氧離子的固體氧化物導體 ， 現(xiàn)在大多數(shù)先進的 SOFC 仍然采用 8﹪～ 10﹪ ( 摩爾百分數(shù) ) 氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯 (YSZ) 作為電解質(zhì)。高溫操作給材料的選擇和制造技術(shù)帶來了一系列問題。氧化鉍的摻雜體系主要有 Bi2O3 MO (M 為 Ca2 +， Sr2 + ， Ba2 + 等 ) 和 Bi2O3 Y2O3 。 Sm 摻雜的氧化鈰 Ce0. 8 Gd0. 2O2 δ在 800 ℃ 時的電導率可達 11. 7S/ m。純氧化鋯是絕緣體，當 Y2O3 和 ZrO2 混合后，晶格中一部分 Zr4 + 被 Y3 + 取代，當 2個 Zr 4 + 被 2 個 Y3 + 取代，相應地， 3個 O2 取代 4個 O2 ，空出一個 O2 位置，因而，晶格中產(chǎn)生一些氧離子空位。其次 ， 由于氧化還原氣體滲透到氣體電極和電解質(zhì)的三相界面處會繁盛氧化還原反應 ， 為了阻止氧化氣體和還原氣體的相互滲透 ， 電解質(zhì)必須 是致密的隔離層。在 Ni/Y2O3ZrO2 金屬陶瓷中存在兩種導電機制 ， Ni相的電子導電 ， YSZ中的離子導電。另外 ， 摻雜 YMnO3等復合材料也被認為可以用作 SOFC的陰極材料。開發(fā)和研究新型材料必須滿足一定的要求。 SOFC主要由固體電解質(zhì)、陰極和陽極組成，固體電解質(zhì)是他的核心和關(guān)鍵部件 SOFC的工作原理在氫電極上進行的是氧化反應 （失電子 ）在氧電極上進行的是還原反應（得電子），氧氣擴散進入陰極，固體電解質(zhì)界面接受電子被還原成氧離子，氧離子通過陰極和陽極隔離開的固體電解質(zhì)向陽極運動，在陽極固體電解質(zhì)界面上，氧離子與燃料作用并釋放出電子 ，電子流經(jīng)外部線路上的負載荷進人陰極，這樣的過程反復循環(huán)下去從而使電池能夠正常的運行。 哈爾濱學院本科畢業(yè)論文 (設計 ) 9 固體氧化物燃料電池的工作原理及結(jié)構(gòu) 固體氧化物燃料電池的工作原理及結(jié)構(gòu) 燃料電池 [1922]的一般結(jié)構(gòu)為：燃料 ( 負極 ) |電解質(zhì) ( 液態(tài)或固態(tài) ) |氧化劑 ( 正極 ) 在燃料電池中，負極常稱為燃料電極或氫電極，正極常稱為氧化劑電極，空氣電 極或氧電極。將該材料制備成納米材料在 1150℃ 和 1400℃ 下進行燒結(jié) ， 在小于等于 850℃ 下有沉積現(xiàn)象。 20世紀 70年代出現(xiàn)了石油危機后 ， 世界各國都想尋求一種新的能源來代替石油 ， 這給SOFC 的研究創(chuàng)造了蓬勃發(fā)展的機會。各國都在努力降低成本、尋求新材料降低工作溫度，嘗試新工 藝制備電池薄膜等。 固體氧化物燃料電池存在的問題 由于目前面臨的能源短缺和環(huán)境污染，世界各國都在積極研究和開發(fā) SOFC技術(shù)，從而得到高效能源轉(zhuǎn)換，并將對環(huán)境的破壞降低到最小程度。當燃料電池的工作溫度在600℃ 以上，天然氣、煤氣、石油氣、沼氣等都可以被重整而加以利用，而且燃料本身轉(zhuǎn)換效率高。因此我們要想在這一技術(shù)上盡快趕上或超過發(fā)達國家，應以最有前景的 SOFC技術(shù)為研究基點 [6]。所以，自 40年 代以來，對 SOFC研究開發(fā)速度加快，但真正達到商業(yè)化應用預計將在下世紀初。燃料電池是一種把貯存在燃料 (如 H2)和氧化劑 (如 O2)中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。人類已進入了 21 世紀，隨著人類環(huán)保意識的覺醒和價值觀的轉(zhuǎn)變，人類將不斷追求與自然更加協(xié)調(diào)的生活方式，探尋可再生的清潔能源已成為人類的共識。固體氧化物燃料電池是一種清潔、高效的能源。 本文對燃料電池的研究發(fā)展進行了概述，詳細地介紹了固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料、陰極材料、陽極材料，綜述了固體氧化物燃料電池的主要組件 (陰極、陽極、電解質(zhì)材料 )的制備方法及其進展，對 SOFC在能源開發(fā)利用與市場化的前景進行了展望。在 20世紀的前 50年，物理學和化學的發(fā)展，開拓了人類對實現(xiàn)奇跡的想象力。只要不間斷地向電池輸入燃料和氧化劑，燃料電池就可以連續(xù)地輸出電能。目前，世界上許多國家紛紛瞄準了 21世紀的市場，或引哈爾濱學院本科畢業(yè)論文 (設計 ) 4 進技術(shù)或聯(lián)合開發(fā) SOFC。 本文較詳細地介紹了 SOFC 的基本概念、工作原理和 主要組件 (陰極、陽極、電解質(zhì)材料 )及其制備方法的 研制 ， 并綜述了 SOFC 國內(nèi)外開發(fā)現(xiàn)狀 ，對 SOFC 在能源開發(fā)、利用與市場化的前景進行了展 望。另外，高溫燃料電池的排氣溫度較高，這將使它能夠與燃氣輪機等組成聯(lián)合發(fā)電裝置，成為最佳選擇。眾所周知，就現(xiàn)在的狀況而言，SOFC技術(shù)在性 能、壽命和成本上還沒有達到商品化要求，還存在一些技術(shù)問題。 (2)提高材料的穩(wěn)定性 陽極、陰極和聯(lián)結(jié)體都要求有良好的電子電導性、與固體電解質(zhì)相近的熱膨脹系數(shù)以及熱穩(wěn)定性，避免在使用過程中發(fā)生剝離或 ―串氣 ‖現(xiàn)象。此后 ， 對 SOFC 的研究開發(fā)速度加快 ， 估計本世紀二三十年代就會實現(xiàn)商業(yè)化的應用。中國科技大學的 孟廣耀 [16]等對世界各國的固體氧化物燃料電池的發(fā)展進行調(diào)查研究 ， 他們認為目前制約 SOFC商業(yè)化的主要問題是高溫時電解質(zhì)層間的相互作用問題與電解質(zhì)膜的制備成本高。燃料有氣態(tài)： 如氫氣、一氧化碳和碳氫化合物； 液態(tài)如液氫、甲醇、高價碳氫化合物和液態(tài)金屬； 還有固態(tài)如碳等。 固體氧化物燃料電池的主要工作部件是陰極、電解質(zhì)和陽極，與外部負載相連就可以形成一個導電回路， 如下圖 21： 當一個外部負載加到電池上時，氧氣在陰極被還原成氧離子，然后通過固體電解質(zhì)傳e e 陽極 電解質(zhì) 陰極 燃料 氧氣 負載 2CO+2O2 2CO2+4e 2H2+2O2 2H2O+4e O2+4e 2O2 圖 21 固體氧化物燃料電池示意圖 哈爾濱學院本科畢業(yè)論文 (設計 ) 10 輸?shù)疥帢O ,與燃料 (H CO 等 ) 發(fā)生反應生成 H2O 或 CO2。 電極材料應滿足的條件 應用于 SOFC 系統(tǒng)中的電極材料必須滿足 ： ① 電極材料應具有較大的電子導電能力 ； ② 電極材料須具備多孔性以利于氣體滲透 ； ③ 電極材料在操作溫度和氣氛中必須能保持穩(wěn)定 ； ④ 電極材料必須與電解質(zhì)材料匹配。 日本的 Y Teraoka[28] 等對 La1 xSrCo1 yFeyO3(LSCF)不同成分時的性能進行研究 ， 發(fā)現(xiàn)該材料不僅在一定溫度下具有優(yōu)良的氧半滲透性 ， 而且具有離子和電子導電的混合導電性能 ， 在 He氣氛下其氧離子導電活化能 Ea為 ～ ， 其電子導電率為 1～ 。用金屬陶瓷的電導率對Ni含量 作圖 ， 呈 S 形曲線 ， 在 Ni含量為 30﹪時存在域值。再次 ， 由于電解質(zhì)的兩側(cè)分別與陰、陽極材料相接觸 ， 并暴露于氧化性或還原性氣體中 ， 這就要求電解質(zhì)在高溫運行的環(huán)境中仍能保持較好的化學穩(wěn)定性。 O2 通過氧空位在電解質(zhì)中輸運。因此，采用氧化鈰系列電解質(zhì)代替 YSZ可以使 SOFC 的操作溫度降低200℃ [30] 。但氧化鉍系列電解質(zhì)有一個致命的缺點即在低氧分壓下分解為金屬鉍，因而限制了它的應用。 (1)操作溫度高易使陰極材料 LSM逐漸燒結(jié)，陽極鎳發(fā)生團聚而使電極氣孔率和活性下降 [33]。在 1000℃ 時 ， YSZ 的氧離 子傳導率約為 [34] 。此類型的 SOFC 分為碳氫化合物間接氧化的 SOFC 和碳氫化合物直接氧化的 SOFC。這些特點使總的燃料發(fā)電率在單循環(huán)時有潛力超過 60﹪ ， 而對總的體系來說效率 可高 達 90﹪。尤其是導師對化學研究的執(zhí)著，更令我欽佩。應用 [M].北京化學工業(yè)出版社 .2021 [4][美 ]Colleen .燃料電池設計于制造 [M].北京電子工業(yè)出版社 .2021 [5]李瑛 ,王林山 .燃料電池 [M].冶金工業(yè)出版社 .2021 [6]顧登平 ,童汝亭 .化學電源 [M].北京高等教育出版社 .1993 [7]李國欣 ,新型化學電源導論 [M].上海復旦大學出版社 .1992 [8]李永峰 ,董新法 ,林維明等 .燃料電池 [M].北京化學工業(yè) 出版社 .2021 [9]邱瑞珍 ,鄭蘭琴，李登彩等 .化工百科全書 [M]. 北京化學工業(yè)出版社 ,1993 [10]李永峰 ,董新法 ,林維明 .固體氧化物燃料電池的現(xiàn)狀和未來 [J].電源技術(shù) ,2021,(6),24. 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