毕业论文课题相关文献综述

文 献 综 述

一. 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。

燃料电池（Fuel Cell）发电是继水力、火力、原子核能之后的第四代发电技术，它是一种与传统方式根本不同的能量转换装置。它可以将燃料（氢气、天然气、煤气）和氧化剂（氧气）中的化学能直接转变为电能，而不经过燃烧等中间环节，其能量转换效率不受卡诺循环的限制，可达50-70%，而且污染物的排放可大大降低，甚至可以实现零排放。因此是一种高效和清洁的能源，被誉为21世纪的绿色电池^[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。

二. 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 O^2-，然后在化学势的作用下，O^2-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