燃料电池材料.doc

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1、燃料电池材料燃料电池是将储存在燃料中的化学能直接转换为电能的电化学装置,是英国物理学家WilliamR.Grove于1839年发明的。如今燃料电池已经经历了第一代的碱性燃料电池,第二代的磷酸燃料电池,第三代的熔融碳酸盐电池,以及后来的固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。而我今天主要负责讲述熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池⑴电池原理熔融碳酸盐燃料电池的电解质为熔融碳酸盐,燃料为氢气或空气,氧化剂为空气。阳极反应:2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e-阴极反应：O2+2CO2+4e-→2CO32-总反应:2H2+

2、O2→2H2O熔融碳酸盐燃料电池的导电离子是CO32-，在阴极CO2为反应物，在阳极CO2为反应产物。因此电池工作过程中的CO2在循环。⑵电池材料阴极材料一般采用多孔的NiO。但是NiO在电池运行过程中可溶解于电解质中，产生的Ni+扩散在电解质靠近阳极侧时会被H2还原成金属Ni沉积在电解质中，造成电池短路。为减少NiO溶解，一般采取将LiCoO2涂抹在NiO上来制备电极。作为熔融碳酸盐燃料电池中的阳极，要求材料具有良好的催化活性、导电性、抗腐蚀性及抗高温蠕变性等综合性能。当Ni作为阳极材料时，工作温度时蠕变较大。一般采用掺杂的方式加入Cr、Cu和A

3、l等元素增加稳定性。或者采用氧化物陶瓷材料作为阳极材料。隔膜材料起着电子绝缘、离子导电、阻气密封的作用，要求强度高和耐高温熔盐的腐蚀，是电池的核心部件。目前主要使用多主要为α-LiAlO2和γ-LiAlO2两种晶相材料。双极集流板材料起着三个作用：一是将氧化剂与还原剂分离，二是提供气体流动通道，三是起到集流导电的作用。由于电池温度高、腐蚀性强。双极集流板在阳极一侧腐蚀极为严重。现多采用不锈钢316和310等，不过效果依旧不够令人满意。需要寻找更好的防护材料。⑶熔融碳酸盐燃料电池有以下四个特点：I燃料适应性强；II不需要铂金催化剂，关键材料成本低；I

4、II发电规模可大可小(100KW~10MW）；IV废热品位高，可与燃气轮机、蒸汽轮机等组成联合循环发电系统，效率在60％~80％。固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池相对前几代它的优点有：避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和流失问题；电极反应相当迅速；不需要贵金属催化剂；燃料选择更加宽泛，不仅可以使用H2/CO.还可以使用天然气等碳氢化合物。⑴电池原理固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质。固体氧化物在高温下具有传递氧离子的能力，在电池中起到传递O2-和分离空气与燃料的作用。阳极反应：H2+O2-→H2O+2e-CO+O2-→CO2+2e-阴极反

5、应：O2+2e-→2O2-总反应：2H2+CO+O2→CO2+H2O⑵电池材料用做固体氧化物燃料电池的阴极材料有贵金属（如金银铂）、掺杂的的In2O3、ZnO、SnO2等。但由于这些材料要么价格昂贵要么热稳定性差，人们一直在寻找新的材料。目前发现钙钛矿结构氧化物性能较好，但同时一样结构，不同物质电子电导率也不一样。对于YSZ电解质，LaMnO3是较好的阴极材料对于CeO2型电解质选用La2CoO3;此外掺杂的YMnO3等复合材料也可。对于阳极，先是用焦炭后来用金属。金属有镍、钴和贵金属。由于镍便宜，普遍都采用镍与YSZ粉混合制成的多孔金属陶瓷。目前

6、Ni-Y2O3/ZrO2金属陶瓷是主要制备的阳极材料。对于甲烷燃料，可掺杂CeO2，如Ce0.9Cd0.1O1.95。隔膜通常采用Y2O3和ZrO2的混合粉料带铸法或刮膜法来制备。Y2O3是保持结构稳定性，ZrO3是在晶格内形成大量的氧离子空位。双极连接板在SOFC中起着连接阴、阳电极的作用，特别是在平板式SOFC中同时起分隔燃料与氧化剂和构成流场与导电作用。双极连接板在高温和氧化、还原气氛下，必须具备良好的力学性能、化学稳定性、高的电导率和接近YSZ的热膨胀系数。目前主要有LCC(LAX-1CAXCrO3)和Cr-Ni合金材料两类。