多相催化ppt

• 启动时间增加
• 使用寿命降低 解决方案 ： 开发中低温高离子电导材料 传统电解质需要800 oC以上 高温才具有较高的电导率 开发新型电极材料
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电解质材料
电解质材料的作用及性能要求
传导氧离子O2足够高的O2-传导性 致密，孔隙率足够小 电子导电性足够小 与电解质材料化学相容， 热性能匹配，有一定机 械强度
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足够高的催化活性 足够高的孔隙率 一定的电子导电性和离 子导电性 与电解质材料化学相容， 热性能匹配，有一定机 械强度
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固体氧化物燃料电池的工作原理
阳极反应发生在H2，O2-，e三相界面
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阳极材料
传统阳极材料
Ni基陶瓷复合材料 发生碳沉积，Ni粒易烧结 阳极催化活性较低 电子电导能力较差
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隔绝阳极气体与阴极气体
维持两极间的高电压
连接电极材料，在 高温下工作
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电解质材料
立方萤石型电解质材料
阳离子按照面心立方排列，配位 数为八，阴离子占据所有的四面 体间隙，配位数为四。这种结构 存在大量八面体空位，有利于离 子的快速传导 Ca2F, ZrO2, CeO2……
固体氧化物燃料电池阳极与电解质 材料性能的研究
丁国昌
背景介绍
化石燃料
自然界的绿色植物通过 光合作用储存的能量
化石燃料的过度消耗对环境构 成了严峻挑战
石油
天然气
煤
高效能量转换装置 — 燃料电池
燃料电池：通过电化学反应，将燃料和氧化剂中的化学能直接 转化为电能的装置
理论化学能（热）— 电能转换效率 氢燃料电池：70 % 碳燃料电池：100 % 已实际达到的效率
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电解质材料SDC
钐（Sm）掺杂的氧化铈（CeO2）
Ce4+
Sm3+ O2GDC(Ga掺杂 CeO2) YSZ(Y2O3掺杂ZrO2) SSZ(Sc掺杂ZrO2)
O vacancy
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固体氧化物燃料电池实用化的瓶颈
工作温度过高 ( >800 oC) 导 致 • 电池构件材料的选择困难 • 密封难度提高，机械性能降低
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固体氧化物燃料电池的工作原理
阳极anode（Positive-Pole）
电解质（Electrolyte ） 阴极cathod（Negative-pole）
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固体氧化物燃料电池实用化的瓶颈
工作温度过高 ( >800 oC) 导 致 • 电池构件材料的选择困难 • 密封难度提高，机械性能降低
• 启动时间增加
• 使用寿命降低 解决方案 ： 开发中低温高离子电导材料 传统电解质需要800 oC以上 高温才具有较高的电导率 开发新型电极材料
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阳极材料
阳极材料的作用及性能要求
阳极反应发生场所 阳极燃料气通入场所 转移反应产生的电子 和离子 连接电解质材料， 在高温下工作
Sr2Fe1.5Mo0.5O6-y
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当用低价元素对A，B位进行元素掺杂时， 为了保持电中性，形成大量氧空位， 提高其氧离子导电性 材料的催化活性和电子导电性主要由B位过 渡金属离子决定
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SFMO材料在阳极气氛下位n型半导体，当通入H2或CO时，由 于H2与CO电离势I<半导体的电子逸出功Ф 形成CpL键， H2与 CO失去电子，阳极得到电子。 所以阳极燃料气实质上为施主能级，对于n型半导体的导电和催 化活性是一种促进作用。
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实验过程
单电池的制作
电解质片 的制作 印刷阴、 阳极 涂银浆 安装电池 片
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实验过程
SOFC单电池片结构示意图
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反应夹具示意图
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直接碳燃料电池的构造
_ O2 2CO2+O2
N2
eCO2 +
Cu基陶瓷复合材料
ZrO2基混合导体
金红石结构阳极材料
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氧离子传导能力较差
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阳极材料
ABO3型钙钛矿结构材料
A位：半径较大，配位数为12的阳离子 如La，Sr，Ba，Ca等 B位：半径较小，配位数为6的过渡金属阳离子 如Ti，Cr，Mn，Fe，Co等
SrFMO阳极材料
电解质
阴极气体 CO2+O2
阴极
电解质材料: SDC(Sm0.2 Ce0.8O1.9) + 碳酸盐 阴极材料 :Li-NiO + electrolyte
Cathode: O2 + 4 e- → 2 O2Anode: C + 2 O2- → CO2 + 4 eOverall: C+O2 →CO2 Ions: O2-
碳 + 碳酸盐
阳极 Cathode: O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32Anode: C + 2CO32- → 3CO2 + 4 eOverall: C+O2 →CO2 Ions: CO32-
氢燃料电池：50-65 % 碳燃料电池：85 %
燃料电池不受限于卡诺循环效率
表1 普通发电技术和燃料电池发电的污染比较[1]
[1] 韩敏芳,彭苏萍.固体氧化物燃料电池材料及制备
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燃料电池的分类
碱性燃料电池（AFC）
质子交换膜燃料电池(PEMFC) 磷酸盐燃料电池(PAFC) 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC）