低温固体氧化物燃料电池复合阴极电催化活性研究(2)
2.4.7 单电池测量 24
3 实验结果与分析. 24
3.1 阴极材料物相分析（XRD） 24
3.2 阴极材料SrCo0.7Fe0.2NbO3-δ 的TG分析 . 25
3.3 阴极材料电化学性能 . 26
3.3.1 SrCo0.7Ni0.2NbO3-δ 和BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ 复合阴极的交流阻抗分析 26
3.3.2 阴极材料电导率分析 29
3.3.3 SrCo0.7Fe0.2NbO3-δ 碘滴定分析 . 30
3.3.4 SrCo0.7Fe0.2NbO3-δ 复合阴极的 SEM分析 31 3.3.5 单电池性能分析.32 结论. 34
致谢. 36
参考文献. 37
1 引言二十一世纪人类文明的发展需要信息，能源，材料作为其驱动力，人类社会的发展从未离开过能源，能源对于一个国家经济发展也是相当重要的，可以折射出一个国家人民生活水平的高低。随着传统的化石能源的开采量越来越多，其储量在可预见的未来就会见底，勘探新增矿井数目和储量不比从前，并且它们燃烧产生的气体对环境造成了污染破坏的同时，开发新能源的愿望显得越来越迫切。绿色环保高效率的新能源的开发顺理成章地成为了二十一世纪材料研究者的重要课题。为了解决材料成本和寿命问题，固体氧化物燃料电池的应用是面向中低温（小于800℃）对于中低温固体氧化物燃料电池，随着温度的降低，其电催化活性下降较快，本课题通过制备复合阴极构筑微观结构，以提高 SOFC 的电催化活性。
1.1 燃料电池 燃料电池是将燃料气和氧化剂中的化学键的键能通过形成外电流直接转化为电能的装置，类似一个“发电站”，通过将燃料和空气分别通入燃料电池的阴极，阳极两侧，发生氧化还原反应，向外电路释放电子，形成外电流，产生电量。燃料电池一般由三部分组成:中间一层的电解质，疏松多孔结构的阴极，NiO 与该 SOFC 所用的电解质混合制成的阳极。燃料气由阳极进入燃料电池，氧气则是通过阴极，在由电解质，氧气，阴极构成的三相界面上发生氧化还原电化学反应，实现化学能向电能的转化[9-11]。 燃料电池是一个催化转化能源的装置，不同于传统电池和热机。燃料电池种类较多，依照正常工作下的温度的不同，可分为在低温，中温，高温工作的燃料电池，对应于不同领域的应用。低温燃料电池有工作温度在100℃的碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池也被称为质子膜燃料电池，它一般在 100℃以内的温度下工作（PEMFC， ）以及工作环境在 200℃的磷酸型燃料电池（PAFC）也是低温燃料电池；中温燃料电池有熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC） ，它的工作温度一般在 650℃；高温燃料电池中固体氧化型燃料电池的工作环境温度一般在600℃~1000℃ （SOFC） [12]。 AFC 主要用在航天飞机等空间飞行器上做电力源，以完成太空任务，是目前燃料电池中最为成熟稳定的技术。PAFC 则是商业程度最高的，但需要用贵重金属去催化电化学反应，起到催化剂作用，MCFC 正逐步实现商业化，PEMFC 则是用作便携式电源和机车电源，SOFC 正处在应用研究阶段。
1.1.1 燃料电池特点 燃料电池是以燃料气中的氢以及氧为反应物， 发生氧化还原反应将化学能通过外电路释放为电能，水是其氧化还原反应的生成物，具有以下特点[1]： （1） 能量转换效率高：燃料电池是通过电化学氧化还原反应在外电路中产生电流，直接将反应物化学键的键能通过产生电流对外电路做功，安静无噪音地进行化学反应、不需要考虑 Carnot cycle 的限制、燃料电池化学能转换为电能的效率高，燃料电池属二次能源，能源转换次数只有化学能到电能这一次。将燃料电池的能量转换效率定义为所电池产生的电能 WR（反应释放出的电子在外电路通过电场所做的最大电功） 与电化学氧化还原反应所释放的全部能量△h （焓变量）之比。在理想状态下，电化学反应过程是可逆的，燃料电池的能量转换效率为 η=-WR/△h。实际 SOFC 工作过程为不可逆状态，实际转换效率要低些。而热机理想情况下的最高效率为（T2-T1）/T2，实际应用中效率更低。 （2） 工作产生的噪声低：在当前应用范围较广的的传统发电技术中，包括利用燃烧发电的火电、利用水的势能发电的水电、利用原子分裂的核电等，其主要发电装置的核心都是围绕着大型涡轮机， 涡轮机旋转机件在发电过程存在摩擦会引起非常大的噪声。 与此相反，燃料电池的结构没有这些发电装置那么复杂，结构中没有旋转机件，理论上可以实现“零噪声”地将化学能变为电能。但由于外围冷却设备的存在，仍然有一些噪声存在，但比较小。 （3） 燃料电池占地面积小、建造时间短：由于燃料电池发电厂的发电是以燃料电池为核心部件的，不需要大型的成套设备，向周围散热不多，因而用与冷却的水量也很少，所以使它不需要很大的占地面积，由于SOFC 电池的结构组件化，对于它的电池整体设计、零件制造以及各个部件组装都十分方便，生产线的建设周期短，生产规模的扩大也很方便。（4） 使用的污染性小：燃料电池的燃料气一般是氢气等，都是清洁、无污染，无毒的，燃料电池反应排放物只是纯水，不会产生二氧化碳等能产生温室效应的气体。其次，由于燃料电池所使用的燃料气体在反应前必须预先把气体中的硫去除，而且燃料电池的电化学反应都是安静的氧化还原反应，所以它几乎不会生成H2S 和NOx等排放物，从而避免对大气环境造成污染。 （5） 燃料气的来源广泛选择多元：燃料电池的燃料气只要是含有 H 原子的物质[26]（例如天然气，石油、煤炭等汽化产物，或是沼气、酒精、甲醇等）都可以作为其来源。因此，燃料电池非常符合替代化石能源的需求，可以缓解主流能源的耗竭带来的不便。 （6） 燃料电池的应用范围广泛：目前较为成熟的燃料电池技术能稳定输出的电功率范围在 1W～1000W 之间，因此可推广应用道不同领域的产品种类也比较多，包括用做便携式电力源、用于车辆上做电力源、也可以作为现场型汽电共生电厂、分散型电厂以及集中型电厂等发电装置。