毕业论文课题相关文献综述

文献综述

进入21世纪以来，全球性的环境污染和能源危机越来越严重。当采用石油、煤、天然气等矿物燃料进行发电时，不但燃料利用率低，而且污染环境，释放大量温室气体，威胁人类持续发展。燃料电池的开发利用就是在这样的背景下蓬勃发展起来的，它是一种将燃料气体（以碳氢化合物为主）的化学能直接转换为电能的大规模、大功率、新型而清洁的发电装置。燃料电池具有能量转换率高、比能量高、低排放、燃料可持续供给等特点。燃料电池的诸多优点使其成为新一代的发电技术并进入了商业化实用阶段。

1 固体氧化物燃料电池简介

固体氧化物燃料电池（SOFC）是把反应物的化学能直接转换为电能的电化学装置。它是由阳极、阴极及两极之间的电解质组成。在阳极一侧，持续通入燃料气体，例如H₂、CH₄ 、煤气等。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的界面。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，由于阴极本身的催化作用，O₂得到电子变为O^2-，在化学势的作用下，O^2-进入到固体电解质中，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体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^[1,2]。其工作原理如图所示。

图1 燃料电池工作原理图

由于SOFC的工作温度一般在800～1000 ℃，电子的传导会产生两级短路，所以要求电解质材料在此温度范围内要有高的离子电导率、低的电子电导率，在SOFC中，电子电导率应该比离子电导率小3个数量级。由于电解质两侧分别与阴极和阳极相接触，长期暴露在强的氧化和还原气氛中，因此电解质应该具有良好的化学稳定性。此外，为了防止气体渗透，电解质必须是致密的烧结体^[3]。目前可用于SOFC的固体电解质主要有萤石结构的ZrO₂基、CeO₂基、Bi₂O₃基和钙钛矿型的LaGaO₃基、Ba(Sr) CeO₃基陶瓷材料等。

钇稳定的ZrO₂( YSZ )是当前SOFC中最常用的ZrO₂基固体电解质，在高温下具有足够好的离子电导率、化学稳定性和高的机械性能。但为了得到合理的能量密度，一般需要YSZ燃料电池在1000℃以上工作，如此高的工作温度会给SOFC带来电极材料、密封和结构上等一系列的问题，如电极的烧结、电解质和电极之间的界面化学扩散以及膨胀系数不同的材料之间的匹配和双极板材料的稳定性等。掺杂的CeO₂、Bi₃O₂基电解质虽比YSZ具有更高的离子电导率，但其会使燃料电池的电位下降，从而导致能量转换效率降低。掺杂的Bi₂O₃基电解质，在低氧分压下会被还原成金属Bi；掺杂的CeO₂基电解质在还原性气氛和较高的温度下会偏离理想配比并伴随有电子导电，这将导致离子电导的下降^[4]。因此，要想进一步推动SOFC实用化，寻找在中低温区具有高离子电导率且性能稳定的新型固体电解质是SOFC研究的主要任务。

2 电解质材料

SOFC的单位结构包括阴极和阳极、电解质等。SOFC的材料研究包括这几种材料的研究，主要是电解质的研究和开发。选择合适的电解质材料制备SOFC是一项非常重要的任务，所选的材料必须满足以下基本要求：在SOFC的操作温度下具有足够的电导性、各部件之间化学相容性好且结构稳定、不同部件之间热膨胀系数相匹配。

2.1 氧化锆基电解质（YSZ）