納米技術(shù)在固體氧化物燃料電池中應(yīng)用

1、納米技術(shù)在固體氧化物燃料電池中的應(yīng)用1納米科技納米科技：研究尺度在0.1-100nm 范圍內(nèi)材料的性質(zhì)及其應(yīng)用；用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。表面效應(yīng)體積效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)光學(xué)性質(zhì)電磁性質(zhì)化學(xué)和催化性能熱性質(zhì)納米材料特性分子的自組裝納米Ag/SiO2催化劑碳納米管納米Cu2高效、潔凈、全固態(tài)結(jié)構(gòu)、高溫運(yùn)行的固體氧化物燃料電池(SOFC) 是把反應(yīng)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置,這種新型發(fā)電技術(shù)是目前發(fā)展最快的能源技術(shù)之一,有望在近年內(nèi)走向商業(yè)化應(yīng)用. SOFC 單體電池由致密的電解質(zhì)和多孔的陽極、陰極組成,現(xiàn)在主要發(fā)展了管狀結(jié)構(gòu)和平板式結(jié)構(gòu)兩種形式. 單體電池通過致密

2、的連接體材料以各種方式組裝成電池組,廣泛應(yīng)用于大型發(fā)廠、熱電耦合設(shè)備、小型供能系統(tǒng)和交通工具等,市場前景廣闊.固體氧化物燃料電池技術(shù)3和一般燃料電池一樣,SOFC 也是把反應(yīng)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置,只不過工作溫度較高,一般在800 1000 . 它也是由陽極、陰極及兩極之間的電解質(zhì)組成.固體氧化物燃料電池工作原理4固體氧化物燃料電池工作原理在陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣,例如H2 、CH4 、煤氣等,具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體例如氫,并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽極與電解質(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

3、電子變?yōu)镺2- ,在化學(xué)勢的作用下,O2- 進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體,由于濃度梯度引起擴(kuò)散,最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面,與燃料氣體發(fā)生反應(yīng),失去的電子通過外電路回到陰極.5固體氧化物燃料電池工作原理6固體氧化物燃料電池技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)勢：全固結(jié)構(gòu)避免了腐蝕及電解液流失。電極反應(yīng)過程迅速。無需采用貴金屬，成本低。燃料適用范圍廣?？蓪?shí)現(xiàn)熱電聯(lián)用，能量綜合利用率高。缺點(diǎn)：由高溫引起的技術(shù)難題較多改進(jìn)：研制中溫及低溫固體氧化物燃料電池。7納米技術(shù)與固體氧化物燃料電池的關(guān)聯(lián)固體氧化物燃料電池納米技術(shù)高電導(dǎo)率、高催 化活性的電極材料高氧離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)材料有效控制電極微結(jié)構(gòu)的電池制備工藝降低電極

4、、電解質(zhì)之間的界面電阻降低材料的燒結(jié)溫度高比表面積高催化活性提高電極的孔隙率改善電極-電解質(zhì)間的界面接觸納米尺度的電極、電解質(zhì)材料的制備納米電極的制備納米粒子修飾的高活性電極8納米尺度的電極、電解質(zhì)材料的制備納米粉體的制備技術(shù)固相法液相法氣相法 有機(jī)配合物前驅(qū)體法沉淀法水熱合成法溶膠-凝膠法溶液蒸發(fā)法輻射合成法微乳液法9納米尺度電極、電解質(zhì)粉料的制備應(yīng)用實(shí)例（1）sol-gel法制備納米級(jí)電解質(zhì)材料YSZ丙醇Zr 去離子水 無水乙醇 乙醇溶液Zr的醇溶液HPC攪拌均勻的混合溶液Y(NO3)36H2O混合溶液慢速攪拌4h靜置24h溶膠80oC-100oC烘干研磨前驅(qū)粉料不同溫度焙燒納米YSZ優(yōu)點(diǎn)

5、：納米尺度的YSZ具有較高的離子電導(dǎo)率與機(jī)械強(qiáng)度，同 時(shí)改善其燒結(jié)性能。YSZ：Y2O3穩(wěn)定ZrO2 SEMXRD10納米電極的制備陰極：LSM/YSZ，SSC/GDC， LSCF，LSC陽極：Ni-YSZ，Ni-GDCH2，CH4O2,Air增加電極的孔隙率，增長三相界面的長度改善電極-電解質(zhì)界面 高能球磨法納米復(fù)合電極 自組裝法 噴涂法LaxSr1-xMnO3(LSM)Sm0.5Sr0.5CoO3-(SSC) La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-(LSCF) La08Sr02CrO3（LSC） Gd2O3摻雜CeO2(gadolmia doped ceria,GDC) 11納米復(fù)

6、合電極的制備應(yīng)用實(shí)例（3）自組裝法制備Ni/YSZ復(fù)合納米電極乙醇鋯乙二醇回流N2保護(hù)乙醇酸鋯蒸餾醋酸釔乙二醇攪拌N2保護(hù)乙醇酸釔乙醇酸鋯釔H2O,CTAB,NiOH醋酸鎳+乙二醇混合溶液攪拌20min80oC1-5d真空過濾洗滌前驅(qū)粉450oCNiOx-YSZ400oCH2Ni-YSZ12Meso-NiOx-YSZMeso-Ni-YSZMeso-Ni-YSZMeso-NiOx-YSZMeso-NiOx-YSZMeso-Ni-YSZNiOx-YSZ及Ni-YSZ的電鏡照片優(yōu)點(diǎn)：具有大孔徑、厚孔壁的中孔Ni/YSZ復(fù)合納米材料，不僅可以增加顆粒間孔隙率，而且本身具有內(nèi)孔，一方面有效提高了氣體的擴(kuò)

7、散速率，另一方面增加了三相界面的長度，改善了Ni與YSZ的接觸界面。13納米復(fù)合電極的制備應(yīng)用實(shí)例（4）噴涂法制備SSC-GDC復(fù)合電極GDC顆粒含有Sm,Sr,Co的乙醇溶液混合溶液燃燒沉積在GDC電解質(zhì)上SSC-GDC復(fù)合納米電極噴涂14Ni-GDC/GDC/SSC-GDC電池的交流阻抗及相應(yīng)的阿倫尼烏斯曲線特點(diǎn)：微米級(jí)的GDC顆粒鑲嵌在納米尺度的SSC中，具有較高的空隙率，促進(jìn)了氣體的傳遞，提高了電極反應(yīng)速率。15納米粒子修飾的高活性電極將氧化物或金屬催化劑浸漬至電極骨架中，在較低溫度焙燒形成納米顆粒，以提高電極的催化活性。應(yīng)用實(shí)例(5) GDC納米粒子修飾的LSM陰極的制備及表征將計(jì)量

8、比的Ce(NO3)3和Gd(NO3)3滴到已制備好的LSM陰極上，使其通過毛細(xì)管作用滲透至整個(gè)電極，在850oC焙燒，形成納米GDC相。LSM及LSM/GDC復(fù)合電極電鏡照片LSM0.8 mg/cm2GDC浸漬的LSM5.8 mg/cm2GDC浸漬的LSM16LSM及LSM/GDC復(fù)合電極阻抗譜圖極化阻抗與GDC擔(dān)載量的關(guān)系圖有效提高LSM的催化活性，改善陰極電解質(zhì)界面，具有成本低、易操作的特點(diǎn)。Material Science and Engineering A 418 (2006),199.17納米科技是一種新興的學(xué)科，應(yīng)用于固體氧化物燃料電池體系，可有效提高電極的電導(dǎo)率、催化活性，優(yōu)化電

9、池微結(jié)構(gòu)，改善界面接觸，從而提高其發(fā)電效率，推動(dòng)其在中低溫領(lǐng)域的發(fā)展。目前為止，納米技術(shù)在固體氧化物燃料電池領(lǐng)域的研究還較少，在開發(fā)新的納米合成路線的同時(shí)，尚需對(duì)納米電極的電導(dǎo)、電催化特性、電極過程等進(jìn)行研究。18參考文獻(xiàn)S. Shukla, S. Seal, R. Vij, S. Bandyopadhyay, Nano Letters, 3(2003),397.E.H. Walker, A.W. Apblett, R. Walker, A. Zachary, Chem. Mater., 16(2004),5336.K. Murata, T. Fukui, C.C. Huang, M.Naito, H. Abe, K. Nogi, Journal of Chemical Engineering of Japan, 37(2004)568.M. Mamak, N. Coombs, G.A. Ozin, Chem. Mater. 13(2001),3564.M. Mamak, N. Coombs, G. Ozin, J.Am.Chem.Soc.,122(2000)8932.Y. Liu, S. Zha, M. Liu, Chem. Mater.,16(2004)3502.S.Jiang, Material Science and Engineering A 418 (2006),1