抗Cr毒化的LaNi0.6Fe0.4O3燃料电池阴极催化活性研究(3)
4．燃料来源广泛：只要是含有氢原子的物质（例如天然气、石油、煤炭、酒精、甲醇等）都可以用作燃料； 燃料电池的分类方法有很多种，根据其使用的电解质类型，可分为以下六类[4]：(1)碱性燃料电池(AFC)，(2)磷酸燃料电池(PAFC)，(3)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，(4) 质子交换膜燃料电池(PEMFC)，(5)直接甲醇(DMFC)，(6)固体氧化物燃料电池(SOFC)。 本论文主要研究的是固体氧化物燃料电池，对其他类型的燃料电池不再一一赘述，下面将对固体氧化物燃料电池(SOFC)进行详细介绍。 1.3 固体氧化物燃料电池(SOFC) 固体氧化物燃料电池，又称陶瓷膜燃料电池，是第三代大功率、民用型燃料电池[5]。这种电池在气相与固相条件下即可工作，是一种采用电解质材料制成的全固态能量转换装置。所以其原理比其中任何一种燃料电池都要简单。 1.3.1 SOFC 的工作原理 固体氧化物燃料电池由阳极、阴极、电解质和连接体组成。工作温度一般为 600～900℃。其基本工作原理如图 1.1所示。 SOFC 的工作原理图 SOFC 工作时，在阳极一侧通入燃料气，如 H2、CH4、天然气等，阳极表面具有催化作用，能够吸附通入的燃料气体如氢，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质界面。在阴极一侧通入氧气或空气，由于阴极本身的催化作用，吸附的 O2得到电子变为O2-： 1/2O2+e-→O2- （1.1） 氧离子在电解质两侧浓度差和电位差的驱动下，通过电解质膜中的氧空位到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生氧化还原反应，释放的电子由外电路回到阴极： H2+O2-→H2O+2e- （1.2） 总反应为： H2+1/2O2→H2O （1.3） 1.3.2 SOFC 对各组件的要求 SOFC 包括阳极、阴极、电解质和连接体四个部分。电解质作为 SOFC 的核心部件，其作用是将阴极还原的氧离子传送到阳极与燃料发生氧化还原反应，通常用到的电解质一般是氧化物陶瓷材料。其基本性能要求如下[6]： 1．稳定性：电解质在氧化和还原气氛中要具备良好的化学稳定性，并且保证在常温至工作温度范围内，晶型和外形尺寸稳定。 2．相容性：在操作温度和制作温度下，电解质不应与其他组元化学相容而发生反应产生第二相。 3．热膨胀系数匹配：从室温到操作温度范围电解质都应该与邻近的阴极材料和阳极材料的热膨胀系数相匹配，以避免开裂、变形和脱落，增加电池的寿命。
4.电导率：电解质的主要作用是传导氧离子。在双重气氛下，电解质要有足够高的离子电导率和低到可以忽略的电子电导率，较高的离子电导率可以降低欧姆损失，较低的电子电导率可以避免电池内部发生短路，不影响其输出功率和效率。
5．气密性：电解质应该致密，有效隔离燃料和氧气或空气。 萤石结构ZrO2基氧化物是最早发现的氧离子导体，也是技术最成熟的电解质材料，尤其是氧化钇稳定氧化锆(YSZ)，已经被广泛应用在高温 SOFC 中。然而随着 SOFC 应用的中低温化，YSZ已经难以满足其使用，因此几种有潜力的中温 SOFC 电解质被开发出来，如SDC、GDC。 阴极材料是SOFC的关键部件之一，因此成为研究的重点。要降低SOFC的工作温度使其中低温化，首先要考虑的问题就是阴极的极化电阻。SOFC的阴极又称为空气电极，它在氧分子转变为氧离子的过程中起催化作用，并将产生的氧离子传输到阴极与电解质的界面上[7]。作为SOFC阴极材料，需要满足以下基本要求。①稳定性：要具有化学稳定性、热稳定性、晶型稳定性、和外形稳定性；同时，要保证阴极材料在工作温度下不与邻近组元发生反应，避免第二相的产生[8]。②电导率：高的氧离子电导率，既可提高阳离子的输运速度又可提高表面反应动力学参数[9]③热匹配性：阴极材料的热膨胀系数必须与电解质的热膨胀系数相匹配，以减少热应力，防止材料出现变形、脱落等现象[10]。④多孔性：多孔性可以保证有足够的孔隙率，减少浓差极化，使气流快速流动并顺利参与反应[11]。