1、毕业论文 文客久久 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 固体氧化物燃料电池阴极反应研究 学 院： 学生姓名： 专 业： 物理 学 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 文客久久 目 录 摘要 1 ABSTRACT 2 引言 3 第一章 介绍固体氧化物燃料电池 4 1.1 介绍燃料电池 4 1.2 固体燃料电池的结构组成及其原理 4 1.3 固体氧化物燃料电池的优势 6 1.4 固体氧化物燃料电池的发展及其应用 6 第二章 固体氧化物燃料电池工作原理 7 2.1 燃料电池的工作原理 7 2.2 电压效率 8 第三章 固体氧化物燃料电池材料选择的要求 9 3.1 电解质材料 9 3.2
2、 连接体 9 3.3 阳极材料 10 3.4 阴极材料 10 3.4.1 钙钛矿 (ABO3)型氧化物 11 3.4.2.YBa2Cu307(YBCO)型氧化物 12 3.4.3.K2NiF4 型氧化物 12 第四章 固体氧化物燃料电池的取得的成就和发展前景 17 4.1 固体氧化物燃料电池的取得的成就 17 4.2 固体氧化物燃料电池的发展前景 17 结束语 18 致谢 附录 毕业论文 文客久久 摘要 固体氧化物燃料电池阴极反应过程研究 摘 要 固体氧化物 燃料电池被称为第三代燃料电池，是一种高效低污染的新型能量转换装置。通过燃烧直接将化学能装化为电能，相对传统的发电装置则省去很多过程和减少
3、了能量的损耗。 本文从燃料电池的特点，优势和应用前景等方面对燃料电池进行了介绍，重点说明了固体氧化物燃料电池的工作原理，分析了燃料电池的阳极反应和阴极反应的反应过程，根据电极反应过程对电解质材料、阴极材料和阳极材料进行选择。作为本文研究重点，分析了阴极材料的反应原理，并总结了目前主要的固体氧化物燃料电池阴极材料。最后，对未来燃料电池的研究和应用前景进行了展望。 关 键词 固体氧化物燃料电池；阴极材料；电极反应 毕业论文 文客久久 Abstract THE STUDY OF SOLID OXIDE FUEL CELL CATHODE REACTION Abstract solid oxide f
4、uel cell(SOFC) which is called the third-generation fuel cell is a new efficient energy conversion device with less pollution. Chemical energy by burning is directly transformed into power. compared to the traditional methods, the SOFC is shorted the progress of power produce and reduce the energy l
5、oss. the fuel cell, respectively, in terms of the characteristics, advantages and applications of fuel cell prospects are introduced. Then electrode reaction of the solid oxide fuel cell are introduced, and the choice of the electrolyte cathode and anode material are summarized, especially the react
6、ion principle of the cathode are analyzed, the characteristics of the cathode material are summarized. The most types of the cathode materials of SOFC are classified. Finally, the prospects of solid oxide fuel cell research and application are introduced. Key Words： cathode materials, SOFC, electrod
7、e reaction 毕业论文 文客久久 引言 随着经济的不断发展，现有的能源已不能满足人类日益增长的需求。同时，像石油、煤炭等能源的使用，引发的环境问题已引起科学家们的关注，他们提出研发新的能源代替现有的能源。而固体氧化物燃料电池具有高效环保的特点，符合环境友好型能源。固体氧化物燃料电池的发展缓解了能源危机和生态环境的破坏，满足了人类对电力数量和质量的需求。在人类科学技术不断进步和完善的进程中，固体氧化物燃料电池起着举足轻重的作用。同时科学技术的发展也成了固体氧化物燃料电池发展的动力，加速其发展进程。 固体氧化 物燃料电池是由 电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极和连接体或双极板组成。通过对固
8、体氧化物燃料电池的结构的了解，进一步分析每部分的工作原理及理解阴极和阳极的进行的反应，接着重点介绍阴极材料。 本文第一部分首先简单的介绍燃料电池的能量转化和发展，阐述燃料电池得以发展的背景；然后谈到了固体氧化物燃料电池的结构组成及其原理、优势、特点和应用等方面；第二部分分析固体氧化物燃料电池阴极和阳极的反应过程，理解固体氧化物燃料电池的工作原理。接着分析电解质材料、连接体材料和阳极材料的特点，并对每类材料做一个归纳分析；第三部分则 是本文的重点，主要介绍阴极材料，对阴极材料进行分析其具有的特点并对其分为三类常见的材料，对阴极反应中阴极材料有一个详细的了解。最后一部分谈到目前我国和国外对固体氧化
9、物燃料电池的研究进展，并对其今后的发展做一个展望。 毕业论文 文客久久 第一章 介绍固体氧化物燃料电池 1.1 介绍燃料电池 固体氧化物燃料电池（ SOFC）属于第三代燃料电池，是一种高效低污染的新型能量转换装置，能直接将化学能转化为电能，其发电过程不同于传统的热机发电方式。在传统热机发电过程中，系统首先通过燃烧方式将化学能转化为热能，再将 热能转化为机械能，最后机械能通过发电机输出电能。而燃料电池则是直接通过燃烧将化学能转化为电能。相比较于传统的发电装置则省去了很多过程，也减少了能量在转化过程中的损耗。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池（ FEMFC）一样得到广泛普及应用的一种燃料电池
10、。 图一：燃料电池直接发电与传统简介发电的比较 根据燃料电池中使用的电解质类型，科学家将燃料电池分为以下五大类型 :碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池。其中，磷酸型燃料电池被称为第一代燃料电池，熔融碳酸 盐燃料电池被称为第二代燃料电池，固体氧化物燃料电池则被称为第三代燃料电池 4。 1.2 固体燃料电池的结构组成及其原理 固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质 (electrolyte)、阳极或燃料极(anode， fuel electrode)、阴极或空气极 (cathode， air electrode)和连接体(interconn
11、ect)或双极板 (bipolar separator)组成。 毕业论文 文客久久 图二： SOFC 的结构式 固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的“ 逆 ” 反应。在燃料电池工作过程中，燃料电池相当于是一直流电源，阳极相当于电源负极，阴极相当于电源的正极。阳极又称为燃料极，燃料在 阳极充当还原剂发生氧化反应。燃料气体有氢气 (H2)、甲烷 (CH4)、城市煤气等。在阳极持续通入的燃料气体会被具有催化作用的阳极表面吸附，同时通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。阴极又称空气极，空气在阴极充当氧化剂发生还原反应。在阴极持续通入氧气或者空气，在阴极的催化作用
12、下， O2 得到电子变为 O2 ，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。 单体的电池只能产生 1V左右的电压，功率低，为了使 SOFC能应用在实际生活中，就需要大大提高固体氧化物燃料电池的功率。为此，科学奖们将若干个单电池以各种方式 (串联、并联、混联 )组装成电池组。 在固体氧化物燃料电池研究的过程中先后出现管式、串联式、平板式、叠层波纹式等四种结构，其中管式和平板式最为常用，如图所示。 毕业论文 文客久久 图三管式（ a）、平板式（ b）、叠层波纹式（ c）、平板式
13、 SOFCs（ d）结构示意图 1.3 固体氧化物燃料电池的优势 固体 氧化物燃料电池相比较于传统发电装置有一下几个优势： 1、由于燃料电池的发电过程不受卡诺循环的限制，具有高效，低污染排放，环境友好的优点 .； 2、采用模块化设计方法，其输出功率可以根据用户的需要进行定制。所以燃料电池不仅可以应用于终端用户的小功率发电，也可以应用于中心电站的大功率发电； 3、 SOFC 是通过电化学反应将燃料气中的化学能直接转化为电能的全固态能量转化化学装置，因此能量利用效率高，发电效率高，使其在一些用电负荷变化比较大的应用中相比热机发电具有更大的优势； 4、由于燃料电池发电装置除了部分辅助系统外，几乎没
14、有运动部件，这是燃料电池系统的噪音和振动很小；5、 广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构 。 随着目前全球能源和环境问题的口益突出，燃料电池作为一种先进发电技术，是氢能利用的有效装置，它的发展对十改进发电系统效率，控制环境污染，推动高效清洁发电系统的发展具有重要意义，是国家未来能源政策的战略性选择之一。 1.4 固体氧化物燃料电池的发展及其应用 固体氧化物燃料电池的开发始于 20 世纪 40 年代，但是在 80 年代以后才得以蓬勃发展。毕业论文 文客久久 早期开发出来的 SOFC 的工作温度较高，一般在 8001000 .目前，科学家已经成 功研发中温固体氧化物燃料电池，将其温
15、度控制在 800左右。相对于其他类型的燃料电池，SOFC 在未来的发电市场更具有发展潜能，因此受到了世界各国特别是发达国家的重视。 其中最著名是美国在 1997 年制定了“展望 21 世纪”项目计划，提出了到 2015 年，将以煤为燃料的发电系统效率提高到 60%，以天然气为燃料的系统效率提高到 75%, SO2 和的排放接近于零。 SOFC 及其混合系统被认为是达到“展望 21 世纪”目标的关键技术之一。 目前对于 SOFC 的研究开发旨在向所有可能的市场提供基 本的标准组件，逐步取代现有的发电和供电方式。主要应用大致分为以下三方面： （ 1）固定发电站（固定式发电）： SOFC 电站是一个
16、独立的供电系统，无需电网传输，具有高效和无污染无噪音的特点。为家庭、商业用电、海岛、山区和中心电网未能覆盖的地方等地方的用电提供了极大的方便。 （ 2）交通运输（运输电源）：辅助电源装置、火车、轮船等。对于美国这样生活在车轮上的 CO2 国家而言， SOFC 作为机动车辆的辅助电源将有很好的应用前景。应用的第一个目标是集装箱运输卡车的辅助电源，以满足长途运 输中司机的生活需要。 （ 3）军事：军事用电通常要求安静、耐用、可靠、不间断，不留下热的痕迹。 （ 4）非能源应用：高纯氢、高纯氧、工业制氧、传感器等。 毕业论文 文客久久 第二章 固体氧化物燃料电池工作原理 2.1 燃料电池的工作原理 燃
17、料电池是一种新型的能量转换装置，它是通过燃料和氧化剂的电化学反应产生电能和热能。燃料电池的基本元件有燃料电极 (亦称阳极、负极、 Anode),氧化剂电极 (亦称阴极、正极、 Cathode)及电解质 (Electrolyte)。燃料电池工作时，电池的电解质 (酸、碱、固体氧化物等 )将两电极隔开，由电池外部将反 应物 (燃料，氧化剂 )分别供给电极的阳、阴极，发生电化学反应 (燃料的氧化过程 )，通过电解质传送带电离子，产生电位差，引起电子在外电路流动，形成低压直流电，同时还产生水和二氧化碳。若连续供给燃料，电池就可以连续发电。燃料电池工作原理示于图二。 图四：燃料电池的工作原理 燃料电池的电极反应式： 燃料级（阳极） H2 eH 22 （ 2-1） 空气级（阴极） OHeHO22 2221 （ 2-2） 综合反应 热量直流电 OHOH222 21（ 2-3） 图二给出了 SOFC 的工作原理图，从示意图可以得出燃料电池的整个工作过程。图中首先在阳极一侧通入 H2 ， H2 在阳极被吸附、催化而失去电子。电子经过外电路到达阴极与阴极通入的空气相遇，空气中的 O2 在催化作用下，接受外电路的电子，发生还原发应 O2 还
