【正文】 這些是我在以后的工作所要學(xué)習(xí)的，我會(huì)在回憶大學(xué)美好時(shí)光的同時(shí)迎接步入社會(huì)的新的挑戰(zhàn)。技術(shù) SOFC 被認(rèn)為是最有效率和萬(wàn)能的發(fā)電系統(tǒng) ， 特別是作為分散的電站 [38]。美國(guó)于 2021 年 3 月開(kāi)發(fā)一種新的固體氧化物燃料電池 ，在用碳?xì)浠衔?—異辛烷做燃料時(shí)能源轉(zhuǎn)換率可達(dá) 50%。碳?xì)浠衔镩g接氧化可以解決氫燃料 SOFC 的許多問(wèn)題 ， 但是 其電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且各段反應(yīng)溫度也不一致 ， 而且預(yù)轉(zhuǎn)化過(guò)程的存在也限制了整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最大效率 ， 而將碳?xì)浠衔镏苯愚D(zhuǎn)化為電能的碳?xì)浠衔镏苯友趸?SOFC 具有更大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于中溫 SOFC 電解質(zhì)的研究結(jié)果表明 ， 最有前途的是摻有 CeO2[3536]的堿土或稀土氧化物 ， 如 (CeO2)(Gd2O3) 800℃ 時(shí)為 ， 遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)溫度下YSZ 的離子傳導(dǎo)率 [37]。 對(duì)于以純氫為燃料的中溫 ( 500～ 800℃ ) 下操作的 SOFC 具有很多優(yōu)勢(shì)。這兩方面的工作目前國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行，但離實(shí)用化還有一段距離。 (2)電解質(zhì) YSZ和 LSM在界面上發(fā)生反應(yīng)形成高電阻的界面相。研制中溫 SOFC的關(guān)鍵問(wèn)題是如何減小工作溫度下固體電解質(zhì)材料的電阻，途徑之一是制備薄的（ 35μm） 致密的 YSZ膜，二是探索開(kāi)發(fā)新型中溫固體電解質(zhì) [32]，加速中溫平板型 SOFC的發(fā)展，目前發(fā)現(xiàn)有希望的中溫電解質(zhì)材料是 SC和 Yb摻雜的 ZrO2，Gd摻雜的 BaCeO3，以及若干鈣鈦礦氧化物材料。 哈爾濱學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 14 鈣鈦礦系列電解質(zhì) 鈣鈦礦系列電解質(zhì)具有代表性的是摻雜的釓酸鑭，如 BaCe0. 9 Gd0. 1O3，離子電導(dǎo)很高，在 600 ℃ 時(shí)為 。 δ相氧化鉍在接近熔點(diǎn) 825℃ 時(shí)電導(dǎo)率可達(dá) 。但氧化鈰基電解質(zhì)存在著較高的電子電導(dǎo)，限制了它的應(yīng)用。 氧化鈰系列電解質(zhì) 氧化鈰系列電解質(zhì)具有高電導(dǎo)率。其它離子的摻雜也能增加氧化鋯的氧離子導(dǎo)電性，如 Nd3 + 、 Sm3 + 、 Y3 + 、Yb3 + 、 Sc3 + 等。氧化鋯基電解質(zhì) 在氧氣分壓很大范圍內(nèi)，只傳導(dǎo)氧離子。哈爾濱學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 13 此外 ， 電解質(zhì)的晶體穩(wěn)定性也很重要 ， 因?yàn)榫w相變?nèi)绻殡S有較大的體積變化 ， 將會(huì)使電解質(zhì)產(chǎn)生裂紋或斷裂。其它被用作陽(yáng)極材料的還有 Ni 與 CeO2( 摻釤 )， BiO2(摻鉺 )， 純 CeO2， PrO11的金屬陶瓷及Y2O5ZrO2TiO2 基復(fù)合材料等。當(dāng) Ni含量低于 30﹪時(shí) ， 離子電導(dǎo)占主導(dǎo) ； 當(dāng) Ni含量高于 30﹪時(shí)，電子電導(dǎo)占主導(dǎo) ， 電導(dǎo)率增加 3個(gè)數(shù)量級(jí)以上 ， 但此時(shí)在電導(dǎo)率隨溫度增加而下降。由于在運(yùn)行溫度下 Ni 與 YSZ 電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng) ， 同時(shí) Ni 的燒結(jié)性能很高 ， 故一般采用把 Ni 與 YSZ 粉混合制成多孔金屬陶瓷 ， Y2O3ZrO2既是 Ni 的多孔載體又是 Ni 相的燒結(jié)抑制劑 ， 同時(shí)該多孔金屬與 YSZ 電解質(zhì)的粘著力好 ， 熱膨脹系數(shù)匹配。 美國(guó)的 JWStevenson[29] 等對(duì) La 1 xMxCo1 yFeyO3(M=Sr 、 Ba 、 Ca) 或 La1 xSrxCo1 哈爾濱學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 12 yByO3(B=Ni、 Cu)等雙摻雜鈣鈦礦型氧化物的電化學(xué)性能和熱膨脹性能進(jìn)行了系統(tǒng)地研究 ，發(fā)現(xiàn)這些氧化物具有 較高的電子與導(dǎo)電率 ， La1 xSrxB1 xNiyO3(B=Co、 Fe)在運(yùn)行溫度高于700℃ 時(shí)具有較好地氧化還原催化活性 ， 且熱膨脹系數(shù)于電解質(zhì)和互連接均匹配。盡管 LaCoO3具有最大的電子導(dǎo)電率 ， 但目前研究最多的陰極材料卻是 LaMnO3，因?yàn)檠趸?(YSZ)電解質(zhì)高溫 SOFC中 ， LaCoO3， LaFeO3會(huì)與 YSZ)發(fā)生反應(yīng) ， 在界面生成LaZr2O7絕緣層。 陰極材料 用作陰極材料的有貴金屬 ( 如 金、 銀 、 鉑 ) ， 摻雜 In2O3， 摻雜 ZnO 和摻雜 SnO2 等 ，但這些材料或價(jià)格昂貴 ， 或熱穩(wěn)定性差。從實(shí)用性來(lái)說(shuō) ， SOFC單元結(jié)構(gòu)的組件形式主要采用管狀設(shè)計(jì)和平板狀 設(shè)計(jì)。在特定的條件下 CH4 液可以在陽(yáng)極直接氧化為 H2O 和 CO2。在液體電解質(zhì)中應(yīng)用微孔膜， 厚，固體電解質(zhì)為無(wú)孔膜，薄膜厚度約為 20微米。按電化學(xué)強(qiáng)弱 ,燃料電池的燃料活性排列次序?yàn)椋弘?氫 醇 一氧化碳 烴 煤。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 的韓敏芳 [18]等研究了納米粉體粒度對(duì) YSZ電解質(zhì)性能的影響。他 們將過(guò)去以常規(guī)電解質(zhì)為支撐改為現(xiàn)在的陰極為支撐 ， 運(yùn)用摻雜鎵酸鑭為固體電解質(zhì) ， 該電解質(zhì)在 1500℃ 下培燒 24h后 ， 可以獲得最高的電導(dǎo)率。在高溫固體氧化物燃料電池中。 1986年 ， 400W管式 SOFC 電池組在田納西洲運(yùn)行成功。 哈爾濱學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 8 第二章 固體氧化物燃料電池的概況 固體氧化物燃料電池的研究現(xiàn)狀 固體氧化物燃料電池 ( SOFC) 是繼磷酸鹽型燃料電池 ( PAFC) 、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)之后的第三代燃料電池 [12]， 其研究起步較晚 ， 以 1899年 Nernst發(fā)明了固體氧化物電解質(zhì)而宣告開(kāi)始 ， 1937年 Baur和 Preis[13]制造了第一個(gè)在 1000℃ 下運(yùn)行的陶瓷燃料電池。 (3)提高各材料間的結(jié)合力 電極與固體電解質(zhì)、電極與聯(lián)結(jié)體之間的接觸電阻對(duì)電池的輸出功率也有很大的影響，應(yīng)設(shè)法減小它們彼此之間的接觸電阻。由于固體電解質(zhì)的比電阻較高，為提高電池的輸出功率，需采用昂貴的成膜設(shè)備，成本高，單電池造價(jià)高。然而，通過(guò)世界各國(guó)研究者不斷的努力，這一目標(biāo)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。固體氧化物燃料電池除了具有燃料電池的一般優(yōu)點(diǎn)外 [89]，還有以下特點(diǎn)： (1) 燃料轉(zhuǎn)換率高，附產(chǎn)有工業(yè)價(jià)值的高溫廢氣，可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，不考慮余熱回收可達(dá) 60﹪以上，若考慮余熱的回收利用，整個(gè)系統(tǒng)的效率可高達(dá) 80﹪以上； (2) 如果以純氫為燃料可以防止 CO2 的排放，若使用化石燃料可以降低 50﹪的排放量，污染物和溫室氣體的排放量 顯著減少，可以減少酸雨與霧的形成和廢氣的排放量； (3) 較高的電流密度和功率密度，可達(dá) 1MW/m3，對(duì)塊狀設(shè)計(jì)有可能達(dá)到 3MW/m3； ( 4) 燃料選擇性強(qiáng)，可直接使用 H天然氣、煤氣、生物氣及甲醇等作為燃料，且不必使用 Pt 貴金屬作催化劑； ( 5) 陽(yáng)、陰極的極化可以忽略，極化損失集中在電解質(zhì)阻力降； ( 6) 使用全固態(tài)組件，不存在對(duì)漏液、腐蝕的管理問(wèn)題，積木性強(qiáng) [10]； ( 7) 對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，能在多種燃料包括碳基燃料的情況下運(yùn)行； ( 8) 規(guī)模和安裝地點(diǎn)靈活等。因此，高溫燃料電池由于可使用燃料的多樣性以及高品位的廢熱哈爾濱學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 6 而使它在發(fā)電系統(tǒng)中具有十分廣闊的前景。高溫燃料電池是指電池堆內(nèi)工作溫度和排氣溫度較高的燃料電池，這類燃料電池包括熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)和固體氧化物燃料電池 (SOFC)[7]。 哈爾濱學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 5 第一章 開(kāi)發(fā)固體氧化物燃料電池的原因 燃料電池的分類 燃料電池的分類方式很多，可依據(jù)其燃料種類、功率大小、電解質(zhì)類型和工作溫度等進(jìn)行分類。 ―十五 ‖期間 ―863‖計(jì)劃項(xiàng)目中，國(guó)家在能源領(lǐng)域和新材料領(lǐng)域都對(duì) SOFC和電池材料都給予立項(xiàng)支持。我國(guó)從 60年代中期開(kāi)始了燃料電池的研究 [5]， 70年代初由于宇航事業(yè)的推動(dòng)對(duì)燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出第一次高潮。 這是 SOFC 高效率的充分體現(xiàn)，也是其他任何一種燃料電池所不可比擬的，然而，高溫運(yùn)行的固體氧化物燃料電池 SOFC 以其全固態(tài)結(jié)構(gòu)、更高的能量效率和對(duì)煤氣、天然氣、混合氣體等多種燃料氣體廣泛適應(yīng)性等突出特點(diǎn)，發(fā)展最快，應(yīng)用廣泛。作為新型高效的潔凈能源，燃料電池在世界范圍內(nèi)引起了普遍關(guān)注 ，由燃料電池構(gòu)成的大量新型電子產(chǎn)品不斷進(jìn)入人們的生活，個(gè)人數(shù)字設(shè)備等個(gè)人便攜式用電設(shè)備對(duì)電源的要求迅速提高，近年來(lái)，由于燃料電池具有高效、清潔 、無(wú)噪音的 優(yōu)點(diǎn)，因此已日益受到重視。因此，國(guó)內(nèi)外燃料電池研究者們都致力于新能源的開(kāi)發(fā)。在 20世紀(jì)的后 50年，工程師們應(yīng)用了科學(xué)家在前 50年積累的理論，實(shí)現(xiàn)了許多奇跡，使人類進(jìn)入現(xiàn)代化的生活。能源已成為人類文明發(fā)展 的基礎(chǔ)和支柱，甚至現(xiàn)代的經(jīng)濟(jì)危機(jī)和戰(zhàn)爭(zhēng)都可以歸結(jié)為能源的爭(zhēng)奪。并對(duì)固體氧化物燃料電池以后的發(fā)展提出了一些建議。固體氧化物燃料電池是一種全固態(tài)燃料電池，它使用一種可傳導(dǎo)氧離子的陶瓷材料充當(dāng)電解質(zhì)，由于只需要兩種相 (氣相和固相 )，所以原理比其他任何一種燃料電池都要簡(jiǎn)單。它不會(huì)有磷酸型燃料電池（ PAFC）和熔融碳酸鹽型燃料電池（ MCFC）所面臨的電解質(zhì)管理問(wèn)題，而很高的工作溫度 也意味著不需要貴重金屬電催化劑。 關(guān)鍵詞：固體氧化物燃料電池；電解質(zhì)；電極 哈爾濱學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 2 Abstract Solid oxide fuel cell (SOFC) has been developed in recent years as a new type of green energy has some advantages including noncorrosion,high energy conversion efficiency,high fuel adaptability,and long oxide fuel cell is a kind of solidstate fuel cell .It use ceramics material which can conduct oxygen ion as of just two phases (gas and solid phase),the principle of solid oxide fuel cell is simpler than any other fuel cell. It does not have the electrolyte management issues which PAFC and MCFC are confronted with .High operating temperature also means