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)展現狀、和固體電解質材料的一些展望

固體氧化物燃料電池(SOFC)；固體電解質；發(fā)展現狀；性能

隨著人口的不斷增長和經濟的迅猛發(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有能源高效、清潔的開發(fā)技術和使用效率，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，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換成電能的一種裝置?，F階段主要將燃料電池分為五類：堿性燃料電池(AlkalineFuel Cell,AFC)、質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)封裝結構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的結構及其基本工作原理

SOFC的單電池是通過一層致密的電解質材料和兩層多孔的電極三層結構組成的電化學發(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，電解質層用來傳導氧離子或質子，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的能源轉換效率高且污染?。?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)展現狀

燃料氣以及從電解質中遷移過來的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，反應時能夠實現快速電荷交換；(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與電解質(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)與電解質的熱匹配性好。

3 結語

能源、環(huán)境和實現資源高效利用的循環(huán)經濟是當今社會發(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，固體電解質燃料電池有很多的優(yōu)點，對人類現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