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造孔剂对YSZ多孔界面层性能的影响文献综述

 2020-04-10 16:06:12  

文 献 综 述

1. 引言

能源与人类社会生存和发展密切相关,目前人类对能源的消费主要以煤炭、石油、天然气等为主,在利用这些传统能源的过程中会向自然界排放大量的二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等有毒气体和大量的粉尘,这些将会导致全球气候变暖、臭氧层破坏、酸雨和光化学烟雾等环境污染问题。随着社会的不断发展,人类对能源的需求也日益增加,有限的矿物能源日趋枯竭,人类的发展面临着重大的能源危机。为了解决这一能源危机,一方面是开发新能源,如太阳能、生物质能、核能、风能、地热能、海洋能等一次能源和氢能等二次能源;另一方面就是提高现有能源的利用效率。燃料电池以高效、节能等优势,被认为是重要的绿色能源技术之一,正引起了世界各国的广泛研究并逐渐形成新的产业[1-3]。

燃料电池根据其使用的电解质的不同,大体上可分为五大类:碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell, AFC)、质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)、磷酸盐燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)及固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)。

在目前所开发出的多种燃料电池中,固体氧化物燃料电池(SOFC)是最为理想的燃料电池类型之一。相比于其它形式的燃料电池,SOFC具有以下优点[4-9]:①发电效率高,能量利用率达50~60%,与蒸汽轮机联用进行发电,能量综合利用率可进一步提高至70%以上;②燃料使用范围广,不仅可使用H2、CO等,还可直接使用天然气、煤气化气、碳氢化合物以及其它可燃物质;③电池在高温下工作,电极反应迅速,无需贵金属电极,制造成本较低;④为全固体结构,避免了因使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题。因而具有广阔的应用前景。

2. SOFC工作原理

SOFC的单电池由多孔的阳极、阴极以及两极之间致密的电解质组成。工作原理如下图1所示,在阳极一侧持续通入燃料气体,如氢气、天然气、煤气等碳氢化合物,具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体,并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气,具有多孔结构的阴极表面吸附氧气,在阴极催化作用下,发生氧还原反应,使O2得到电子变为 O2-,然后在化学势的作用下,O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体,由于浓度梯度引起扩散,最终到达电解质与阳极的界面,与燃料气体发生反应,失去的电子通过外电路回到阴极,从而实现化学能到电能的转换[10]。

图1 SOFC 的工作原理

固体氧化物燃料电池就是一个氧浓差电池,其电驱动力或热力学电动势由能斯特(Nernst)方程给出

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