高温固体氧化物燃料电池实验演示_贺天民

瓷电极 ( 燃料极和空气极 ) 和介于电极之间的 固体氧化物电解质组合而成. 通过不断向空气 极 ( 阴极 ) 提供氧化剂, 向燃料极 ( 阳极) 提 供 燃 料 就可 得 到 源源 不 断 的 电能 输 出 . 在 SOF C 中 , 采用固体氧化物氧离子导体材料做 电解质起传导氧离子和分离燃料、空气的双重 作用 , 因此, 要求固体氧化物电解质具有足够 高的离子导电率和致密性 . 固体氧化物燃料电 池的工作原理如图 1 所示 . 把外部负载接到电 极上 , 在多孔空气极上, 空气中的氧从外电路 接受 2 个电子被还原成氧离子 , 在高温下, 氧 离子容易移动进入固体电解质中的氧空位, 在 空气极上发生的反应是 O2 + 2e
5 参考文献
1 U . S . Department o f Ener gy , M or ganto wn Ener g y T echnolog y Cent er. Fuel Cells - A Handbo ok ( Rev ision 3) . M or g ant ow n: W est V irg inia, 1994. 1 2 周运鸿 . 燃料电池 . 电源技术 , 1996, 20 ( 4) : 161 3 郭公毅 . 燃料电池 . 北京 : 能源出版社 , 1984. 2 4 M inh N Q . Cer amic Fuel Cells. J. A m. Cer am. Soc. , 1993, 76 ( 3) : 563～ 588 ( 199909-01 收稿 )
1 引 言 燃料电池是一种将燃料与氧化剂反应的化 1～ 2〕 学能直接转换成电能的电化学装置〔 . 现在 所使用的化学电源 ( 即电池 ) 是本身存有化学 能 , 而燃料电池是利用电化学反应使氢等燃料 氧化, 直接获取电能, 因此 , 燃料电池是一种
3〕 电化学发电机 〔 . 化学能转变为其他形式的能
图 1 固体氧化物燃料电池工作原理图
体电解质的氧离子数目 , 所以固体电解质保持 电中性 . 固体氧化物燃料电池中的总反应为 H2 + O 2 / 2
2
左右电压达到最大值 , 随后电压缓慢下降, 而 输出电流却随温度的升高而明显增大. 由于随 温度的升高, 电解质的电阻下降, 使输出电流 增大 , 电学性能也明显提高. 以小灯泡为负载 时, 随温度的升高, 小灯泡也逐渐由暗变亮 . 随 着温度的进一步升高 , 可带动小灯泡数量也增 多. 多节 SOFC 串联构成的电池组还可带动收 录机、电须刀等电器正常工作 . 4 结束语 固体氧化物燃料电池是一种高效低污染的 新型能源 , 是技术含量很高的高新技术 , 能把 这一前沿课题转换成演示实验 , 本身是一种尝 试, 对于学生了解高科技成果有重要的意义. 电化学和材料等诸多学科, SOF C 涉及到物理、 是多学科知识集成, 通过这样的实验有利于培 养交叉学科的复合人才, 特别是有利于培养学 生的创新意识和创新能力 . 同时对于学生了解 晶体结构缺陷对其电性能的作用, 认识快离子 导体 ( 固体电解质) 材料的性能及其与影响因 素 ( 温度、组分) 的关系 , 把快离子导体这一 固体物理新兴领域的理论与其应 用实践相结 合, 将理论用于实践 , 指导实践, 丰富理论课 教学内容是十分有益的.
1 杨俊才等 . 大学物理实验 教程 . 国防科大出 版社 , 1994. 12, 124～ 126 2 林抒 , 龚镇雄 . 普通物理实 验 . 人 民教育出 版社 , 1982. 214 ～ 216 3 贾玉润等 . 大学物理实验 . 复旦大学出版社 , 1988. 216 ～ 217 ( 199907-27 收稿 )
4〕 料电池 ( SOFC) 具有很多优点〔 : 全固态的电
O
2-
/2
池结构 , 无液态电解质的腐蚀和泄漏等问题 , 排 放的 NO x 和 SO2 少、 噪音低, 燃料适应广泛 , 可 实现热电联产 , 总的效率可达 80% . 因此高温 SOF C 是一种高效低污染的绿色能源 . 2 固体氧化物燃料电池的工作原理 固体氧化物燃料电池 ( SOF C ) 是由两片陶 $I = 级别 × 量程 = 1. 5 × 100LA = 1. 5LA 100 100 而 $ I / 3= 0. 5 L A , 于是 $ IS n $I / 3. 可见校准装置的误差 $I S 远小于电表误差 限 $ I 的 1/ 3. 因此, 该校准装置是合理的. 教 学实践表明, 上述分析方法不仅要求学生学会 如何设计控制电路 , 还要求学生学会如何验证 校准装置的合理性 , 有利于培养学生的动手能
物理实验 第 20 卷 第 4 期
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高温固体氧化物燃料电池实验演示
贺天民 孙敬物理系 长春 130023)
摘 要 介绍一种高效低污染的新 型能源—— 高温固体氧化物燃料电池的工作原理及其演示实验装置 . 关键词 固体氧化物燃料电池 固 体氧化物电解质 氧离子导体
HO
2 2
或 CO+ O / 2 CO 只要不断地供给燃料和空气 , 反应就能继续下 去 , 就能产生源源不断的电能. 3 固体氧化物燃料电池实验装置与演示 固体氧化物燃 料电池实验装 置如图 2 所 示 . 它由燃料电池、加热系统和测试系统三部
图 2 固体氧化物燃料电池实验装置图
分组成 . 加热系统由管式电炉或管式气体加热 炉进行加热, 用热电偶及控温仪表进行控温 . 测 试系统由两块多功能数字万用表、电阻箱和连 接导线构成. SOF C 中的固体氧化物电解质 ( 钇 稳定化氧化锆 ) 采用注浆法制备成管状或用干 压法制备成圆片 , 经 1650℃烧结 , 保温 4h , 制 得致密电解质 . 用多孔银基材料做电极分别涂 覆于电解质的两侧 . 以氧化铝管作导管, 用高 温密封材料将导管与固体电解质进行密封 , 输
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量有两种途径 : 一是经过热焓变化热能的途径, 在热能转换成机械能时要受卡诺循环的限制; 二是吉布斯自由能变化以有用功的形式直接转 变成电能, 而燃料电池是把反应的吉布斯自由 能变化直接转换成电能 , 所以燃料电池的效率 不受卡诺循环的限制, 具有很高的发电效率 . 与 其它类型的燃料电池相比, 高温固体氧化物燃
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入燃料气体, 用银丝作电极导线接入外电路 . 将 电池放入加热炉中进行加热, 以氢气为燃料 , 空 气为氧化剂气体, 工作温度从室温升至 850 ℃, 对 SOF C 的电学性能进行测试 , 测量电池在不 同温度下输出的电压和电流. 随着温度的升高, 在 160℃左右时, 电池开始产生电压, 在 560℃
氧离子在电场的作用下, 通过电解质中的 氧空位迁移到燃料极与燃料中的氢或一氧化碳 结合, 生成水或二氧化碳, 并放出 2 个电子 , 电 子通过外电路流向空气极 , 在燃料极上发生的 反应是 H2 + O 或
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H 2O+ 2e
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CO+ O
CO 2 + 2e
在燃料极上起反应的氧离子数目, 等于进入固 力和分析问题、解决问题的能力. 7 参考文献