BaCeO3固體氧化物燃料電池及其性能

李國濤(溫州大學，浙江 溫州 325035)

BaCeO3固體氧化物燃料電池及其性能

李國濤(溫州大學，浙江 溫州 325035)

固體氧化物燃料電池(SOFC)是近幾年發(fā)展起來的具有無腐蝕，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率、綠色環(huán)保、適應性強、和電池壽命長等諸多優(yōu)點，這些優(yōu)勢引起了這方面研究人員的極大興趣和許多國家的高度重視。本文介紹了SOFC的基本概念、工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀、和固體電解質(zhì)材料的一些展望

固體氧化物燃料電池(SOFC)；固體電解質(zhì)；發(fā)展現(xiàn)狀；性能

隨著人口的不斷增長和經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人類過度開發(fā)能源所造成的環(huán)境污染和生態(tài)破壞等問題變得日益嚴重，能源危機和環(huán)境污染迫在眉睫，要解決能源安全和可持續(xù)發(fā)展的問題，我們不僅需要大大提高現(xiàn)有能源高效、清潔的開發(fā)技術(shù)和使用效率，而且必須開發(fā)綠色環(huán)保、高效便捷的新型持續(xù)的能源技術(shù)，這將成為人類發(fā)展生存的重大課題。燃料電池是由化學反應將化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種裝置。現(xiàn)階段主要將燃料電池分為五類：堿性燃料電池(AlkalineFuel Cell,AFC)、質(zhì)子交換膜型燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEM?FC)、磷酸鹽型燃料電(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)、溶融碳酸鹽型燃料電(MoltenCarbonate Fuel Cell,MCFC)和固體氧化物型燃料電池(SolidOxide Fuel Cell,SOFC)[1]，PEMFC由于其電解質(zhì)膜成本昂貴而阻礙商業(yè)化進程；PAFC是目前商業(yè)化應用程度最高的但是需要貴金屬鉑作催化劑的燃料電池；MCFC發(fā)電站現(xiàn)今已接近商業(yè)化發(fā)展；SOFC是具有諸多優(yōu)點的全固態(tài)封裝結(jié)構(gòu)的無需貴金屬催化劑的最具發(fā)展?jié)摿Φ娜剂想姵豙2]。

1 固體氧化物燃料電池(SOFC)的基本概念

1.1 SOFC的結(jié)構(gòu)及其基本工作原理

SOFC的單電池是通過一層致密的電解質(zhì)材料和兩層多孔的電極三層結(jié)構(gòu)組成的電化學發(fā)電裝置，其中多孔電極用于發(fā)生電化學催化反應和傳輸電流，電解質(zhì)層用來傳導氧離子或質(zhì)子，同時具有隔離作用。[3]在陽極端(燃料發(fā)生氧化反應的主要場所)通入燃料氣(H2、CO、CH4等)，在陰極端(發(fā)生還原反應的主要場所)通入氧化氣(O2或者空氣)；電解質(zhì)分隔了陰極的氧化氣與陽極燃料氣的直接接觸；氧化氣在陰極通過吸附和催化反應，得到從外電路傳導過來的電子生成O2-，O2-再由電解質(zhì)傳導至陽極；燃料氣體在陽極端發(fā)生吸附和催化反應，與O2-反應并向外電路釋放電子。

1.2 SOFC的優(yōu)點

SOFC具有如下的一系列優(yōu)點：(1)SOFC的能源轉(zhuǎn)換效率高且污染小；(2)由于是全固體組件，沒有蒸發(fā)、電解液流失和腐蝕的問題；(3)由于溫度較高，排出的余熱可以取暖也可與輪機聯(lián)用用來循環(huán)發(fā)電，通過這寫提高了能量利用效率；(4)由于不用使用貴金屬電極，電池的成本也大大下降；(5)燃料廣泛，除了H2和CO還可以直接用天然氣和其它碳氫化合物為燃料。

2 SOFC的材料要求及其發(fā)展現(xiàn)狀

燃料氣以及從電解質(zhì)中遷移過來的O2-在陽極反應，所以陽極材料通常需要滿足：(1)電子導電性好，反應時能夠?qū)崿F(xiàn)快速電荷交換；(2)透氣性好，為了使燃料氣順利的擴散到電極處參與反應并將產(chǎn)生的水移走；(3)還原氣氛下較為穩(wěn)定，同時對燃料氣具有優(yōu)良的催化活性；(4)耐熱性能好，可以適應從室溫到高溫的熱循環(huán)，兼有熱力學能和化學兼容性，可以用來匹配SOFC其他元部件。目前最常用的陽極材料為金屬陶瓷復合體如Ni-YSZ（釔穩(wěn)定的ZrO2）金屬陶瓷，這種材料首先可作為Ni粒子的支架，用來限制Ni晶粒的增長導致的陽極活性降低，另一方面使得陽極的熱脹系數(shù)與電解質(zhì)(YSZ)相匹配，保持Ni的分散性和陽極的多孔性，多孔Ni粒子一方面為陽極中電子流提供了通道，另外一方面還對氫的還原起到催化作用；另外提供了氧離子電導，使陽極的電化學反應活性區(qū)域得到擴展，目前，探索防止碳淀積的陽極新材料成為SOFC最活躍的研究領域之一。SOFC的陰極發(fā)生氧化劑的電化學還原反應，因此陰極材料需要具備：(1)高的電子導電率；(2)在高溫氧化狀態(tài)下耐腐蝕；(3)透氣性好；(4)與電解質(zhì)的熱匹配性好。

3 結(jié)語

能源、環(huán)境和實現(xiàn)資源高效利用的循環(huán)經(jīng)濟是當今社會發(fā)展的核心課題，具有高能的電池將在電子信息、新能源及環(huán)境保護等方面具有舉足輕重的地位和作用，固體電解質(zhì)燃料電池有很多的優(yōu)點，對人類現(xiàn)在的生活帶來了許多便捷，相信其具有著很好的應用前景。

[1]Radojkovic A,Savic S M,Jovic N,et al.Structural and elec?trical properties of BaCe0.9Ee0.1O2.95 electrolyte for IT-SOFCs[J]. Electrochimica Acta,2015,161:153-158.

[2]Babu A S,Ranjit Bauri.Phase evolution and morphology of nanocrystalline BaCe0.9Er0.1O3-δ protonconducting oxide synthe?sised by anovel modified solution combustion route[J].Journal of Physics and Chemistry of Solids,2015,87:80-86.

[3]Agnieszka Lacz,Katarzyna Grzesik,Pawe? Pasierb.Electri?cal properties of BaCeO3-based composite protonic conductors[J]. Journal of Power Sources,2015,279:80-87.

李國濤（1990-）男,漢河南省固始縣溫州大學化學與材料工程學院 在讀碩士 有機合成化學