92579656毕业设计(论文)固体氧化物燃料电池的研究进展.doc
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1、本科毕业论文(设计)题目: 固体氧化物燃料电池的研究进展院(系)理学院专 业化学年 级07级姓 名学 号指导教师职 称实验师2011年 6 月 13 日目 录摘 要1ABSTRACT2前 言3第一章 开发固体氧化物燃料电池的原因51.1 燃料电池的分类51.2固体氧化物燃料电池的优点61.3固体氧化物燃料电池存在的问题7第二章 固体氧化物燃料电池的概况82.1固体氧化物燃料电池的研究现状82.2固体氧化物燃料电池的工作原理及结构92.2.1固体氧化物燃料电池的工作原理及结构92.2.2 SOFC 的结构10第三章 固体氧化物燃料电池电极、电解质材料的研究进展113.1 电极材料的研究进展113
2、.1.1电极材料应满足的条件113.1.2 阴极材料123.1.3 阳极材料123.2 电解质材料的研究进展133.2.1氧化锆系列电解质133.2.2氧化铈系列电解质143.2.3氧化铋系列电解质143.2.4钙钛矿系列电解质14第四章 SOFC的未来发展方向以及趋势154.1 固体氧化物燃料电池的未来发展方向154.2 固体氧化物燃料电池的发展趋势164.2.1纯氢为燃料的固体氧化物燃料电池164.2.2以碳氢化合物为燃料的固体氧化物燃料电池164.2.3最近开发的新型固体氧化物燃料电池16参考文献18致 谢20摘 要固体氧化物燃料电池(SOFC) 是近几年发展起来的新型绿色能源技术,具有
3、无腐蚀,能量转化效率高,燃料适应性强和寿命长等优点。固体氧化物燃料电池是一种全固态燃料电池,它使用一种可传导氧离子的陶瓷材料充当电解质,由于只需要两种相(气相和固相),所以原理比其他任何一种燃料电池都要简单。它不会有磷酸型燃料电池(PAFC)和熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)所面临的电解质管理问题,而很高的工作温度也意味着不需要贵重金属电催化剂。固体氧化物燃料电池是一种清洁、高效的能源。本文对燃料电池的研究发展进行了概述,详细地介绍了固体氧化物燃料电池的电解质材料、阴极材料、阳极材料,综述了固体氧化物燃料电池的主要组件(阴极、阳极、电解质材料)的制备方法及其进展,对SOFC在能源开发利用与市场
4、化的前景进行了展望。并对固体氧化物燃料电池以后的发展提出了一些建议。 关键词:固体氧化物燃料电池;电解质;电极AbstractSolid oxide fuel cell (SOFC) has been developed in recent years as a new type of green energy technology.It has some advantages including non-corrosion,high energy conversion efficiency,high fuel adaptability,and long lifetime.Solid oxid
5、e fuel cell is a kind of solid-state fuel cell .It use ceramics material which can conduct oxygen ion as electrolyte.Because 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 P
6、AFC and MCFC are confronted with .High operating temperature also means that no precious metal electrocatalysts are needed.It is a clean and efficient energy . The paper reviewed the developments of fuel cell and introduced the electrolyte material,anode material,cathode material of solid oxide fuel
7、 cell .The paper reviewed the preparation methods and the progress of the major components of SOFC (cathode,anode and electrolyte materials) and expected the the prospect of SOFC in energy development and utilization and recommended the development of solid oxide fuel cell.显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的
8、拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典Key words: Solid oxide fuel cell; electrolyte; electrode 朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典 - 查看字典详细内容朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典 - 查看字典详细内容 前 言自从第一次工业革命以来,人类社会几乎每次科学技术水平和生活水平的提高,都与能源技术的革新休戚相关。能源已成为人类文明发展的基础和支柱,甚至现代的经济危机和战争都可以归结为能源的争夺。目前,人类所消耗能源的70%来自矿石燃料。人类已进入了21 世纪,随着人类环保意识的觉醒和价值观的转变,人类将不断追求与自然更加协调的生活方式,探寻
9、可再生的清洁能源已成为人类的共识。在20世纪的前50年,物理学和化学的发展,开拓了人类对实现奇迹的想象力。在20世纪的后50年,工程师们应用了科学家在前50年积累的理论,实现了许多奇迹,使人类进入现代化的生活。当我们踏入21 世纪的今天。随着化石燃料耗量日益增加和储量日益减少,能源和环境对人类的压力越来越大,全球已产生环境污染,气候异常和能源短缺三大问题,要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。同时常用的一次和二次电池已无法满足人们的需求。因此,国内外燃料电池研究者们都致力于新能源的开发。所以我们现在急需寻找一种符合我们自身需要的清洁能源,而燃料电池1的出现使我们的这种需求成为现实。燃料电池是
10、一种把贮存在燃料(如H2)和氧化剂(如O2)中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。只要不间断地向电池输入燃料和氧化剂,燃料电池就可以连续地输出电能。作为新型高效的洁净能源,燃料电池在世界范围内引起了普遍关注,由燃料电池构成的大量新型电子产品不断进入人们的生活,个人数字设备等个人便携式用电设备对电源的要求迅速提高,近年来,由于燃料电池具有高效、清洁、无噪音的优点,因此已日益受到重视。因此,研究和开发基于燃料电池的新型电源具有重要的意义。目前研究进展较快的燃料电池是直接甲醇燃料电池(DCFC) 、质子交换膜燃料电池( PEMFC) 、固体氧化物燃料电池(SOFC) 。然而,在这些不同类型的燃料电
11、池中,固体氧化物燃料电池(SOFC)具有多燃料适应性、结构简单、能量转化率高等特点,且电池产生的废热可以作为热源供给联合发电系统的其他部分使用, 实现了热电联产, 从而更有效地提高了整个发电系统的效率, 被认为是最有效率的和万能的发电系统,特别是作为分散的电站。这是SOFC 高效率的充分体现,也是其他任何一种燃料电池所不可比拟的,然而,高温运行的固体氧化物燃料电池SOFC 以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点,发展最快,应用广泛。事实上SOFC 用于发电、热电联供、交通、空间宇航和其他许多领域,被称为21世纪的绿色能源,正引起各国科学家的广
12、泛趣2-4。所以,自40年代以来,对SOFC研究开发速度加快,但真正达到商业化应用预计将在下世纪初。目前,世界上许多国家纷纷瞄准了21世纪的市场,或引进技术或联合开发SOFC。我国从60年代中期开始了燃料电池的研究5,70年代初由于宇航事业的推动对燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。到90年代中期,由于科技部与中科院将燃料电池技术列入“九五”科技攻关计划,我国进入了燃料电池研究的第二个高潮。但是与发达国家相比,中国在这一领域的起步本来就很晚,加之资金投入不够,技术积累不多,所以此领域的技术明显落后。客观的说,目前在中国基本上还没有一组可以展示给大家工作的固体氧化物燃料电池堆。“十五”期间“863
13、”计划项目中,国家在能源领域和新材料领域都对SOFC和电池材料都给予立项支持。如果“十五”期间“863”计划项目进展顺利,中国应该在2005年有自己的SOFC电池堆。因此我们要想在这一技术上尽快赶上或超过发达国家,应以最有前景的SOFC技术为研究基点6。本文较详细地介绍了SOFC 的基本概念、工作原理和主要组件(阴极、阳极、电解质材料)及其制备方法的研制,并综述了SOFC 国内外开发现状,对SOFC在能源开发、利用与市场化的前景进行了展望。 第一章 开发固体氧化物燃料电池的原因1.1 燃料电池的分类 燃料电池的分类方式很多,可依据其燃料种类、功率大小、电解质类型和工作温度等进行分类。一按照所使
14、用的燃料种类,燃料电池也可以分为三类:第一类是直接式燃料电池,即直接用氢气作为燃料;第二类是间接式燃料电池,其燃料不是直接用氢气,而是通过某种方法(如蒸汽转化或催化重整)把甲烷、甲醇或其他烃类化合物转变成氢(或含氢混合气)后再供应给燃料电池来发电;第三类是再生式燃料电池,它是指把燃料电池反应生成的水,经某种方法分解成氢和氧,再将氢和氧重新输入燃料电池中发电。二按电池输出功率大小,燃料电池可分为四类a超小功率(150kW):大功率电池则可以作为独立电站、大型舰艇的电源; 三目前被国内外燃料电池研究者所广为采纳的分类方法是依据燃料电池中所用的电解质类型的不同来进行分类,可分为五类燃料电池:碱性燃料
15、电池(AVe),磷酸燃料电池(PAFC),熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。四按照工作温度可以分为低温燃料电池、中温燃料电池和高温燃料电池。高温燃料电池是指电池堆内工作温度和排气温度较高的燃料电池,这类燃料电池包括熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)7。其中熔融碳酸盐燃料电池的工作温度是600-650,固体氧化物燃料电池的工作温度是800-1000。当燃料电池的工作温度在600以上,天然气、煤气、石油气、沼气等都可以被重整而加以利用,而且燃料本身转换效率高。另外,高温燃料电池的排气温度较高,这将使它能够与
16、燃气轮机等组成联合发电装置,成为最佳选择。因此,高温燃料电池由于可使用燃料的多样性以及高品位的废热而使它在发电系统中具有十分广阔的前景。1.2固体氧化物燃料电池的优点燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置,又称电化学发电器。它是继水力发电、 热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能,不受卡诺循环效应的限制,因此效率高;另外,燃料电池用燃料和氧气作为原料,排放出的有害气体极少;因为没有机械传动部件,故没有噪声污染。固体氧化物燃料电池除了具有燃料电池的一般优点外8-9,还有以下特点:(1) 燃料转换率高,
17、附产有工业价值的高温废气,可实现热电联产,不考虑余热回收可达60以上,若考虑余热的回收利用,整个系统的效率可高达80以上;(2) 如果以纯氢为燃料可以防止CO2 的排放,若使用化石燃料可以降低50的排放量,污染物和温室气体的排放量显著减少,可以减少酸雨与雾的形成和废气的排放量;(3) 较高的电流密度和功率密度,可达1MW/m3,对块状设计有可能达到3MW/m3;( 4) 燃料选择性强,可直接使用H2、天然气、煤气、生物气及甲醇等作为燃料,且不必使用Pt 贵金属作催化剂;( 5) 阳、阴极的极化可以忽略,极化损失集中在电解质阻力降;( 6) 使用全固态组件,不存在对漏液、腐蚀的管理问题,积木性强
18、10; ( 7) 对燃料的适应性强,能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行;( 8) 规模和安装地点灵活等。这些特点使总的燃料发电效率在单循环时有潜力超过60,而对总的体系来说效率可高达90。1.3固体氧化物燃料电池存在的问题由于目前面临的能源短缺和环境污染,世界各国都在积极研究和开发SOFC技术,从而得到高效能源转换,并将对环境的破坏降低到最小程度。众所周知,就现在的状况而言,SOFC技术在性能、寿命和成本上还没有达到商品化要求,还存在一些技术问题。然而,通过世界各国研究者不断的努力,这一目标是完全可以实现的。在5年以前,固体氧化物燃料电池的设计还没有成为发展的主流方向。近年来,由于越来越受到
19、人们的重视,但是,就现有的水平而言,还存在着许多急需克服的技术难关,包括材料成本、材料的稳定性、各材料间的结合力、系统设计及其耐用性等方面。要使固体电解质燃料电池能够实际应用,必须做到以下几点:(1)降低成本国外的SOFC成本高的主要原因是由于电池中大量使用稀土元素,所以国外努力寻找不含稀土元素的电池材料。由于固体电解质的比电阻较高,为提高电池的输出功率,需采用昂贵的成膜设备,成本高,单电池造价高。同时,电池组的组装、封接、系统的使用与维护等都造成了SOCF发电机组成本的提高。各国都在努力降低成本、寻求新材料降低工作温度,尝试新工艺制备电池薄膜等。(2)提高材料的稳定性阳极、阴极和联结体都要求
20、有良好的电子电导性、与固体电解质相近的热膨胀系数以及热稳定性,避免在使用过程中发生剥离或“串气”现象。(3)提高各材料间的结合力电极与固体电解质、电极与联结体之间的接触电阻对电池的输出功率也有很大的影响,应设法减小它们彼此之间的接触电阻。减少电极极化损失。提高电池的电性能11。(4)提高系统设计及其耐用性研究高活性的催化材料及其制备方法,减弱电极与电解质之问的反应烧结现象,提高电极的活性和气体的扩散,提高电池的工作性能和使用寿命。 第二章 固体氧化物燃料电池的概况2.1固体氧化物燃料电池的研究现状 固体氧化物燃料电池( SOFC) 是继磷酸盐型燃料电池( PAFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(MC
21、FC)之后的第三代燃料电池12,其研究起步较晚,以1899年Nernst发明了固体氧化物电解质而宣告开始,1937年Baur和Preis13制造了第一个在1000下运行的陶瓷燃料电池。1962年美国的Weissbart J 和Ruka14首次用甲烷作燃料,为SOFC 的研究发展奠定了基础。20世纪70年代出现了石油危机后,世界各国都想寻求一种新的能源来代替石油,这给SOFC 的研究创造了蓬勃发展的机会。此后,对SOFC 的研究开发速度加快,估计本世纪二三十年代就会实现商业化的应用。1986年,400W管式SOFC 电池组在田纳西洲运行成功。1989 年又在日本东京、大阪煤气公司各安装了3KW
22、级列管式SOFC 发电机组,成功连续运行长达5000h,这标志着SOFC 研究从实验室规模向商业化发展又迈近了一步。我国从20 世纪60 年代中期开始了燃料电池的研究,但SOFC 研究工作尚处于起步阶段,研究工作主要集中在有关SOFC 构件材料方面,并取得了一些研究成果和专利,而日、美、德等国已有30多年的开发史。新加坡15的蒋三平等认为在中温固体氧化物燃料电池中,可用为阳极。在高温固体氧化物燃料电池中。他们运用为阳极。将该材料制备成纳米材料在1150和1400下进行烧结,在小于等于850下有沉积现象。中国科技大学的孟广耀16等对世界各国的固体氧化物燃料电池的发展进行调查研究,他们认为目前制约
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