科技方法訓(xùn)練實(shí)踐報(bào)告.doc

科技方法訓(xùn)練實(shí)踐報(bào)告實(shí)驗(yàn)題目 燃料電池的制備 專業(yè)班級(jí) 11應(yīng)用物理 姓名 廖魏 學(xué)號(hào) 201110250102 指導(dǎo)教師 徐序 完成時(shí)間 2014.10.28 摘要：目前世界現(xiàn)有的石化能源遠(yuǎn)不能滿足人們的需要，燃料電池是的開發(fā)和應(yīng)用從一定程度上緩解即將出現(xiàn)的能源危機(jī)。燃料電池不僅利用率高，而且可以實(shí)現(xiàn)零污染，是一項(xiàng)非常好的能量來(lái)源。目前世界各國(guó)對(duì)燃料電池的研究十分熱，燃料電池的發(fā)展前景是十分可觀的。關(guān)鍵詞：燃料電池 能源 電解質(zhì)一、論文的意義能源日趨緊張，化石燃料行將耗盡，氫能作為未來(lái)能源的有效解決方案逐漸得到重視，氫必將成為世界燃料和能源的主流。 氫基燃料電池作為氫能領(lǐng)域重要技術(shù)支撐經(jīng)歷了第一代磷酸燃料電池( PAFC) ，第二代熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) ，發(fā)展到了第三代固體氧化物燃料電池(SOFC)。SOFC 由于有很多相對(duì)優(yōu)勢(shì)而得到關(guān)注。 與以燃燒為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)發(fā)電相比，SOFC 沒有燃燒過(guò)程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，極大地降低了化石燃料在能量轉(zhuǎn)換中的能量損失和對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，從而使其具有運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、高效率(40 %60 %) 、零污染、無(wú)噪音等特點(diǎn)；與低溫工作的質(zhì)子膜燃料電池(PEMFC) 相比，除其高效率外，SOFC 還避免了只能使用貴金屬電極材料(如Pt ) 的局限性，消除了CO 對(duì)電極的毒化，降低了對(duì)燃料質(zhì)量的要求，增加了燃料選擇的靈活性(如天然氣、煤氣、生物質(zhì)氣體、柴油以及其他碳?xì)浠衔? ；與相對(duì)高溫工作的熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 相比，SOFC 具有更高的功率密度，沒有液態(tài)的熔鹽腐蝕介質(zhì)，避免了燃料電池材料的熱腐蝕。固體氧化物燃料電池按照支撐材料的不同可分為三種結(jié)構(gòu)模式：電解質(zhì)負(fù)載型、陰極負(fù)載型、陽(yáng)極負(fù)載型。其中陽(yáng)極負(fù)載型固體氧化物燃料電池以其電池內(nèi)阻低，操作溫度低，功率密度高，工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等特點(diǎn)而逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，陽(yáng)極支撐型的平板式SOFC已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際上SOFC研究的重要方向。但由于此種結(jié)構(gòu)的電池其反應(yīng)阻力主要集中于陽(yáng)極，因此對(duì)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)和性能提出了更高的要求，有關(guān)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的研究也日趨活躍。二、燃料電池2.1燃料電池概念燃料電池: 燃料電池的名稱是由L. Mond和C. Langer兩位化學(xué)家首先提出的。燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結(jié)合在一起的裝置。它的結(jié)構(gòu)與普通電池相同，也有陰極、陽(yáng)極，通過(guò)電解質(zhì)將兩電極隔開，但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來(lái)進(jìn)行“燃燒”，當(dāng)然，產(chǎn)生的現(xiàn)象不是火，而是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)變?yōu)殡娔茌敵?。燃料電池與一般傳統(tǒng)電池一樣，都是將活性物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，因此都屬于化學(xué)動(dòng)力源，與一般傳統(tǒng)電池不同的是燃料電池本身不具備也不儲(chǔ)存活性物質(zhì)，而只是一個(gè)催化轉(zhuǎn)換單元。傳統(tǒng)電池除了具有電催化元件外，其本身是活性物質(zhì)的儲(chǔ)存容器，因此，當(dāng)儲(chǔ)存在電池內(nèi)的活性物質(zhì)使用完畢后，必須停止使用，當(dāng)重新補(bǔ)充活性物質(zhì)后才可以再進(jìn)行發(fā)電使用。相對(duì)地，燃料電池則是名副其實(shí)的能量轉(zhuǎn)換器，而不是能量?jī)?chǔ)存器，燃料和氧化劑等活性物質(zhì)都是從燃料電池外部供給的，原則上只要這些活性物質(zhì)不斷地從外部輸入，產(chǎn)生的廢物不斷地排除，燃料電池就能夠連續(xù)的發(fā)電，因此從工作方式上看，它比較接近汽油發(fā)電機(jī)或者柴油發(fā)電機(jī)。2.2燃料電池的發(fā)電原理及特點(diǎn)燃料電池的工作過(guò)程是與電解水正好相反的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程：燃料中的氫與氧化劑中析氧分別在電解質(zhì)兩邊的正負(fù)極上發(fā)生反應(yīng)生成水，同時(shí)產(chǎn)生電流。工作時(shí)向負(fù)極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣）。氫在負(fù)極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負(fù)載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時(shí)，它可以連續(xù)發(fā)電。如圖1所示:圖1 燃料電池構(gòu)造圖燃料電池的特點(diǎn)：（1）能量轉(zhuǎn)換效率高 燃料電池能量轉(zhuǎn)換率比熱機(jī)和發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換率高的多。目前汽輪機(jī)或柴油機(jī)的效率最大值為4050%，當(dāng)用熱機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，其效率僅為3540%，而燃料電池可達(dá)6070%，其理論能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%，其他物理電池，如溫差電池效率為10%，太陽(yáng)能電池為20%，均無(wú)法與燃料電池相比。熱力學(xué)分析指出，燃料電池不像各類熱機(jī)那樣效率受卡諾循環(huán)的限制，不管是低溫型的還是高溫型的其發(fā)電效率一般都可以達(dá)到40-70%，能量利用效率一般高于50%，高的可達(dá)90%，甚至超過(guò)100%。就各類燃料電池系統(tǒng)而言，高溫型燃料電池的發(fā)電效率和能量利用效率都要顯著地高于低溫型燃料電池。對(duì)低溫型，由于燃料需要外重整（有數(shù)據(jù)指出，燃料進(jìn)行外重整時(shí)的效率一般要比內(nèi)重整低5-7%）再加上系統(tǒng)內(nèi)部的消耗如氣體循環(huán)風(fēng)扇和控制系統(tǒng)以及燃料電池產(chǎn)生的高熵值的低溫廢熱不能再用于發(fā)電，因此其效率只能達(dá)到40%；而高溫型的燃料電池不僅可以與透平機(jī)聯(lián)用而其產(chǎn)生的是低熵值的高溫廢熱能用于再發(fā)電或用作燃料重整的熱能，使其發(fā)電效率可超過(guò)70%，熱效率可大于80%（2）污染小、噪聲低 燃料電池作為大、中型發(fā)電裝置使用時(shí)其突出的優(yōu)點(diǎn)是減少污染排放。對(duì)于氫燃料電池而言，發(fā)電后的產(chǎn)物只有水，可實(shí)現(xiàn)零污染。另外，由于燃料電池?zé)o熱機(jī)活塞引擎等機(jī)械傳動(dòng)部分，故操作環(huán)境無(wú)噪聲污染。（3）高度可靠性 燃料電池發(fā)電裝置由單個(gè)電池堆疊至所需規(guī)模的電池組構(gòu)成。由于這種電池組是模塊結(jié)構(gòu)，因而維修十分方便。另外，當(dāng)燃料電池的負(fù)載有變動(dòng)時(shí)，它會(huì)很快響應(yīng)，故無(wú)論吃魚額定功率以上過(guò)在運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行，它都能承受且效率變化不大。這種優(yōu)良性能使燃料電池在用電高峰時(shí)可作為調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能電池使用。（4）使用能力強(qiáng) 燃料電池使用多種多樣的初級(jí)燃料，如天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油；也可使用發(fā)電廠不易使用的低質(zhì)燃料，如褐煤、廢木、廢紙，甚至城市垃圾，但需經(jīng)專門裝置對(duì)它們重整制取。2.3燃料電池的種類燃料電池的種類很多，而且分類方法也各不相同。根據(jù)電解質(zhì)材料的不同，燃料電池通?？梢苑譃槲宕箢?，分別為堿性燃料電池(AFC，Alkahne Fuel Cell)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEFC，Polymer Eleetrolyte Fuel Cell)、磷酸鹽燃料電池(PAFC，Phosphorie Aeid Fuel Cell)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC，Molten Carbonate Fuel Cell)和固體氧化物燃料電池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)。這五種燃料電池的反應(yīng)原理如表1。燃料電池（Fuel Cell）經(jīng)歷了第1代堿性燃料電池（AFC），第2代磷酸燃料電池（PAFC），第3代熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）后，在20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起了新型固體氧化物燃料電池(SOFC)。各種燃料電池的反應(yīng)原理燃料電池陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng)移動(dòng)的離子質(zhì)子交換膜燃料電池（PEM）H22H+2e1/2O2+2H+2eH2OH+堿性燃料電池（AFC）H2+2(OH)2H2O+2e1/2O2 +H2O+2e2(OH)(OH)磷酸燃料電池（PAFC）H22H+2e1/2O2+2H+2eH2OH+熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）H2+CO32H2O+CO2+2eCO+CO322CO2+2e1/2O2 + CO2+2eCO32CO32固體氧化物燃料電池（SOFC）H2+O 22H2O+2eCO +O 22CO2+2eCH4+4O 22H2O+CO2+8e1/2O2+2eO 2O 2三、固體氧化物燃料電池（SOFC）3.1 SOFC的結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池( Solid Oxide Fuel Cell ，SOFC) 是通過(guò)氫氧反應(yīng)將化石燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由兩個(gè)多孔電極與電解質(zhì)結(jié)合成三明治結(jié)構(gòu)，主要有4個(gè)功能組件：陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)和連接體（如圖2）。目前最為常見的固體氧化物燃料電池為管狀和平板狀電池，目前主要研究的為平板狀電池。 圖2 固體氧化物燃料電池典型結(jié)構(gòu)在陽(yáng)極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如H2、CH4、煤氣等，具有催化作用的陽(yáng)極表面吸附燃料氣體例如氫，并通過(guò)陽(yáng)極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽(yáng)極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢(shì)的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽(yáng)極的界氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過(guò)外電路回到陰極。SOFC工作的時(shí)候，電子經(jīng)過(guò)外電路流向陰極，氧離子經(jīng)電流流向陽(yáng)極，燃料氣通過(guò)電池的陽(yáng)極，擴(kuò)散到陽(yáng)極/固體電解質(zhì)的界反應(yīng)釋放出電子，氧化劑通過(guò)電池的陰極，擴(kuò)散到陰極/固體面，在這里氧氣被還原為O2-。陽(yáng)極釋放出的電子經(jīng)過(guò)外電路的電池的陰極，固體電解質(zhì)則完成了O2-從陰極到陽(yáng)極的輸送過(guò)程，流通的回路，產(chǎn)物水由陽(yáng)極排出。3.2 SOFC的組件（1）SOFC陰極材料陰極又叫空氣極，氧氣在陰極上還原成氧負(fù)離子反應(yīng)如下：1/2O2(g)+2e- = O2-(s)因此作為陰極材料必須滿足以下要求：(1)要求電極材料具有較大的電子電導(dǎo)能力；(2)必須保持維度的穩(wěn)定性；(3)與電池其它材料具有好的熱匹配性；(4)必須與電解質(zhì)和連接材料具有好的兼容性和低的反應(yīng)性；(5)應(yīng)該具有多孔屬性，使得氧氣能夠很快地傳送到電解質(zhì)與陰極界面上?？捎米麝帢O材料的有貴金屬，摻錫的ln2O3，摻雜的ZnO2，摻雜的SnO2等。但這些材料或價(jià)格昂貴，或熱穩(wěn)定性差，所以20世紀(jì)70年代以后就被新開發(fā)出來(lái)的鈣鈦礦型氧化物所取代。由于在氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）電解質(zhì)高溫SOFC中，LaCoO3，LaFeO3更容易與YSZ發(fā)生反應(yīng)，在界面上生成電導(dǎo)率很小的LaZr2O7。當(dāng)Sr摻雜量在0.3左右時(shí)，界面反應(yīng)產(chǎn)生的SrZrO3電導(dǎo)率更低，故此人們常把LSM作為陰極的首選對(duì)象。另外摻雜的YMnO3，AgBi1.5Y0.5O3等材料也被認(rèn)可用作SOFC的陰極材料。（2）SOFC的陽(yáng)極材料陽(yáng)極又叫燃料極，從陰極擴(kuò)散過(guò)來(lái)的氧負(fù)離子在電解質(zhì)與陽(yáng)極的界面處發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)：O2-(s)+H2(g)=H2O(g)+2e-因此，陽(yáng)極材料必須在還原性氣氛中具有穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)電性并且電極材料必須具備多孔性以利于把氧化產(chǎn)物從電解質(zhì)與陽(yáng)極的界面處釋放出來(lái)。最早，人們使用焦炭作為陽(yáng)極，而后采用金屬。由于Ni的價(jià)格較為便宜，故此被普遍采用。但是Ni的熱膨脹系數(shù)比YSZ稍大，并且在電池的工作溫度下，Ni會(huì)發(fā)生燒結(jié)，從而使得電極的氣孔率降低。故此常常把Ni與YSZ粉末混合制成多孔金屬陶瓷，YSZ既是Ni的多孔載體，同時(shí)又是Ni的燒結(jié)抑制劑。而且該材料與YSZ電解質(zhì)的粘結(jié)力好，熱膨脹系數(shù)匹配。金屬陶瓷中，當(dāng)Ni含量小于30時(shí)，離子電導(dǎo)占主導(dǎo)，含量在30以上，電導(dǎo)率有3個(gè)數(shù)量級(jí)以上的突變。Fukui等發(fā)現(xiàn)，Ni/YSZ的熱膨脹系數(shù)隨Ni含量的增加而線性增大。綜合考慮電導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，一般采用Ni占35左右。（3）SOFC電解質(zhì)材料在SOFC系統(tǒng)中，電解質(zhì)的主要功能在于傳導(dǎo)氧離子。因此要求電解質(zhì)有較大的離子導(dǎo)電能力和小的電子導(dǎo)電能力；必須是致密的隔離層以防止氧化氣體和還原氣體的相互滲透；能保持好的化學(xué)穩(wěn)定性和較好的晶體穩(wěn)定性。隨著SOFC研究的不斷深入，先后出現(xiàn)了4種電解質(zhì)材料：ZrO2基固體電解質(zhì)；CeO2基電解質(zhì)材料；Bi2O3基電解質(zhì)材料和LaGaO3基材料。（4）SOFC連接體材料連接材料是SOFC中至關(guān)重要的組件之一，不管是管狀還是平板狀電池構(gòu)造，連接材料的作用包括兩個(gè)方面：一方面它提供在一個(gè)單電池陽(yáng)極和鄰近單電池陰極之間的電連接，另一方面它起到防止空氣極和燃料氣還原氣氛接觸以及燃?xì)怆姌O材料與氧化性氣氛接觸的作用。連接材料的標(biāo)準(zhǔn)是十分苛刻的。在氧化物和燃料區(qū)域之間相當(dāng)大的氧分壓差導(dǎo)致的化學(xué)勢(shì)梯度嚴(yán)重地限制了連接材料的選擇。四、燃料電池的制作實(shí)驗(yàn)中利用8片電解