第二篇燃料電池材料第1頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容概述燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)燃料電池的效率發(fā)展燃料電池的重要性第2頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月燃料電池(FC)

一種在等溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效(50-70％)而與環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。

第3頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月燃料電池分類堿性氫氧燃料電池(AFC)；磷酸型燃料電池(PAFC)；質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC)；熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)；固體氧化物燃料電池(SOFC)。第4頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高；排放達(dá)到零污染；車輛性能接近內(nèi)燃機(jī)汽車；結(jié)構(gòu)簡單和運(yùn)行平穩(wěn)。

第7頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月燃料電池的缺點(diǎn)

燃料種類單一；要求高質(zhì)量的密封；比功率不高；造價(jià)高昂；設(shè)備開支問題；第8頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月降低氫氣的儲(chǔ)存成本和使用成本；需要配備輔助電池系統(tǒng)；汽油裂化困難；防結(jié)冰問題。第9頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月燃料電池的效率燃料電池的理想效率；燃料電池與熱機(jī)聯(lián)合的理想效率；燃料電池的實(shí)際效率；燃料電池與熱機(jī)聯(lián)合的實(shí)際效率。第10頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月燃料電池的理想效率取決于反應(yīng)熵變的大小和符號(hào)。第13頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月

若電池放電和熱量回收過程均為完全可逆過程，則燃料電池與熱機(jī)聯(lián)合過程的總效率等于在環(huán)境溫度下工作的燃料電池的理想效率，而與燃料電池和熱機(jī)的工作溫度無關(guān)。第16頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)展燃料電池的重要性

高效、清潔地利用化石能源；能源多樣化與能源的可持續(xù)發(fā)展；完善高技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。

第19頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月能源材料第五章質(zhì)子交換膜型燃料電池材料第20頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容質(zhì)子交換膜燃料電池；質(zhì)子交換膜型燃料電池材料；電池組技術(shù)。第21頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月PEMFC的結(jié)構(gòu)與工作原理；

影響PEMFC性能的主要因素；

PEMFC的主要應(yīng)用領(lǐng)域。

第22頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月陽極：2H2→4H++4e-(1)陰極：

O2+4H++4e-→2H2O(2)總化學(xué)反應(yīng)：2H2+O2→2H2O(3)第25頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月電解質(zhì)膜；膜的濕度；工作溫度；催化劑含量；雜質(zhì)濃度。第26頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月主要應(yīng)用領(lǐng)域

用作各種海、陸、空運(yùn)載工具的電源；為公共場所如商場、醫(yī)院甚至居民家庭提供熱、電；為便攜式電子設(shè)備和通信設(shè)備以及高精密儀器提供電源。

第27頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月電催化劑；多孔氣體擴(kuò)散電極；質(zhì)子交換膜；雙極板材料。

第28頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月電催化劑的制備；電催化原理；納米催化劑；碳納米管。第29頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月先將鉑氯酸轉(zhuǎn)化為鉑的絡(luò)合物，再由絡(luò)合物制備高分散Pt/C電催化劑；化學(xué)還原沉積。第30頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）H2的陽極氧化

H2陽極氧化反應(yīng)為：H2+2H2O→2H3O++2e-具體途徑如下：(M-電催化劑表面原子)第一步：H2+M→MH2第31頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第二步有兩種可能的途徑：MH2+M→MH+MHMH+H2O→M+H3O++e-

MH2+H2O→MH+H3O++e-MH+H20→M+H3O++e-第32頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）CH3OH的陽極氧化

CH3OH+2Pt→Pt-CH2OH+Pt-HPt-CH2OH+2Pt→Pt2-CHOH+Pt-HPt2-CHOH+2Pt→Pt3-COH+Pt-H

Pt-H→Pt+H++e-

第33頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月缺少活性氧時(shí)

Pt3-COH→Pt2-CO+Pt+H++e-；Pt2-CO→Pt-CO+Pt

第34頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)O2陰極還原

O2+4H++4e-→2H2OO2+2H++2e-→H2O2

H2O2+2H++2e+→2H2O

O2+2M→2MO2MO+4H++4e-→2M+2H2O第35頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月納米催化劑的制備

浸入法；離子交換法；吸附法；蒸發(fā)法；醇鹽法。第36頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月將多孔的氧化物襯底浸入均勻分散有金屬納米粒子(<2nm)的溶液中使金屬納米粒子沉積在上面，然后取出即可。第37頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月將襯底(沸石、SiO2

等)進(jìn)行表面處理，然后將其放入含有復(fù)合離子的溶液中（復(fù)合陽離子有Pt(NH3)42+、Rh(NH3)5Cl2+

等），通過置換反應(yīng)，襯底上的活性陽離子取代了復(fù)合陽離子中的貴金屬離子。第38頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月把襯底放入含有Rb6(CO)6、Ru3(CO)12

等聚合體的有機(jī)溶劑中，將吸附在襯底上的聚合體進(jìn)行分解，還原處理，就在襯底上形成了粒徑約1nm的金屬納米粒子。

第39頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月將純金屬在惰性氣體中加熱蒸發(fā)，形成納米粒子，直接附著在催化劑襯底上。此方法的優(yōu)點(diǎn)是純度高、尺寸可控。

第40頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月將金屬的乙二醇鹽與含有襯底元素的醇鹽混合，首先形成溶膠，然后使其凝膠化、熔燒、還原，形成金屬納米粒子，并分散在襯底材料中。

第41頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管的制備

火花法；

熱氣法；

激光轟擊法。

第43頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月火花法將兩根石墨棒連接電源，棒端間距為數(shù)毫米。通電后，電弧使石墨氣化成為等離子體，此法可以制備幾乎沒有缺陷的單層或多層碳納米管。

第44頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月熱氣法將基板放進(jìn)加熱爐里加熱到600℃，然后慢慢充入甲烷一類的含碳?xì)怏w，氣體分解時(shí)產(chǎn)生自由的碳原子，碳原子重新結(jié)合可能形成碳納米管。

第45頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月激光轟擊法用脈沖激光代替電加熱使碳?xì)饣玫教技{米管，一般產(chǎn)率可達(dá)70％。優(yōu)點(diǎn)是主產(chǎn)物為單層碳納米管，通過改變反應(yīng)溫度可控制管的直徑。

第46頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月電極擴(kuò)散層

將碳紙或碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液(PTFE)并用稱重法確定浸入的PTFE量；將碳紙置于烘箱(330-340℃)內(nèi)進(jìn)行熱處理；第47頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月對其進(jìn)行整平處理，消除由于碳紙或碳布表面坑凹不平，對制備催化層的影響。第48頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月整平工藝過程以水或水與乙醇作為溶劑，將乙炔黑或碳黑與PTFE配成重量為1:1的溶液，用超聲波震蕩，混合均勻，再使其沉降；倒出上部清液，將沉降物刮到經(jīng)憎水處理的碳紙或碳布上，對其表面整平。第49頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月PEMFC工作原理第50頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月對PEM的要求

較好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性；適當(dāng)?shù)牧W(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性；表面性質(zhì)適于與催化劑結(jié)合；對反應(yīng)氣體的滲透性低；質(zhì)子傳導(dǎo)率高等性質(zhì)。第51頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月商業(yè)化的質(zhì)子交換膜

優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性

吸附水的媒質(zhì)第52頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月樹脂合成的一般步驟四氟乙烯與SO3反應(yīng)形成環(huán)砜；環(huán)砜與碳酸鈉縮聚，隨后與四氟乙烯共聚形成不溶性樹脂；不溶性樹脂水解制得全氟磺酸聚合物；最后在適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)中將全氟磺酸聚合物的Na+交換成H+。

第53頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月PEMFC的典型性質(zhì)指含1mol離子交換基團(tuán)-SO3H的干樹脂質(zhì)量第54頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)诫s質(zhì)子酸的碳?xì)渚酆衔锬で抖涡途酆衔锬?/p>

第55頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月聚苯并咪唑(PBI)

通過磺化和/或摻入質(zhì)子導(dǎo)體(如無機(jī)酸)而具有質(zhì)子傳導(dǎo)性優(yōu)良的抗氧化性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械加工性，高溫下良好的電導(dǎo)率，電滲系數(shù)約為零，低的氣體和甲醇透過率只能應(yīng)用在較為干燥的環(huán)境

第56頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月磺化苯乙烯/乙烯-丁二烯/苯乙烯磺化苯乙烯/乙烯-丁二烯/苯乙烯苯乙烯/異丁烯/苯乙烯

第57頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月MEA制備工藝進(jìn)行膜的預(yù)處理。首先將質(zhì)子交換膜在3%-5%過氧化氫溶液中，于80℃進(jìn)行處理，取出后用去離子水洗凈，再在稀硫酸溶液中80℃處理，取出用去離子水洗凈后，置于去離子水中備用。第58頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月將制備好的多孔氣體擴(kuò)散型氫氧電極浸入或噴上全氟磺酸樹脂溶液，一般控制全氟磺酸樹脂的擔(dān)載量為0.6mg／cm2～1.2mg／cm2,在60℃～80℃下烘干。第59頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月在質(zhì)子交換膜兩面放好氫、氧多孔氣體擴(kuò)散電極，置于兩塊不銹鋼平板中間，放入熱壓機(jī)中。在130-135℃，壓力6Mpa-9MPa下熱壓60s-90s，取出，冷卻降溫。

第60頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月雙極板功能分隔氧化劑與還原劑,要求雙極板必須具有阻氣功能，不能用多孔透氣材料；具有集流作用,因此必須是電的良導(dǎo)體；第61頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月已開發(fā)的幾種燃料電池，電解質(zhì)為酸(H+)或堿(OH-)，故雙極板材料在工作電位下，并有氧化介質(zhì)(如氧氣)或還原介質(zhì)(如氫氣)存在時(shí)，必須具有抗腐蝕能力；

第62頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月在雙極板兩側(cè)加工或置有使反應(yīng)氣體均勻分布的流道，即所謂的流暢,以確保反應(yīng)氣在整個(gè)電極各處能均勻分布；應(yīng)是熱的良導(dǎo)體，以確保電池組的溫度均勻分布和排熱方案的實(shí)施第63頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)加工石墨板；金屬涂裝板；復(fù)合雙極板。

第64頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn)：良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性以及耐腐蝕性缺點(diǎn)：抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量較低、費(fèi)工時(shí)而高價(jià)格第65頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月高的電導(dǎo)率，好的力學(xué)強(qiáng)度，價(jià)格不高，生產(chǎn)工藝多樣；易溶解和腐蝕不可避免。第66頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月具有可塑性，流動(dòng)性和粘接性，并可擠出、注射和模壓成型，形狀多樣、低成本；合適導(dǎo)電填料和高分子材料的選用。

第67頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月水管理技術(shù)；密封技術(shù)；排熱技術(shù)。第68頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月增濕技術(shù)；排水技術(shù)。

第69頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月外增濕內(nèi)增濕自增濕組合增濕

第70頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月升溫增濕(冒泡增濕)；滲透膜增濕；直接液態(tài)水注射增濕。

第71頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第72頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月雙極板內(nèi)增濕；擴(kuò)散層內(nèi)增濕。第73頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第74頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第75頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第76頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月流場排水動(dòng)態(tài)排水

第77頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第78頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第79頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第80頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第81頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第82頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月能源材料第六章熔融碳酸鹽燃料電池材料第83頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容熔融碳酸鹽電池；性能曲線影響因素；MCFC材料；MCFC關(guān)鍵技術(shù)。第84頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月MCFC的兩方面工作應(yīng)用基礎(chǔ)研究；試驗(yàn)電廠的建設(shè)。

第85頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第86頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月

MCFC的電極反應(yīng)陰極反應(yīng)

O2+2CO2+4e-

→2CO32-

陽極反應(yīng)2H2+2CO32-

→2CO2+2H2O+4e-

總反應(yīng)

O2+2H2

→2H2O

第87頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力；溫度；反應(yīng)氣體組成和使用率；雜質(zhì)；電流密度；運(yùn)行時(shí)間。第88頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力的影響

如果陰極、陽極的CO2分壓相等，則電動(dòng)勢E與CO2分壓無關(guān)；否則CO2分壓會(huì)影響電池的電動(dòng)勢。第89頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月甲烷化作用導(dǎo)致反應(yīng)物的大量損失，降低發(fā)電效率。添加H2O和CO2調(diào)節(jié)平衡氣體成分，減少作用影響。2CO→C+CO2CO+3H2→CH4+H2OCH4→C+2H2CO2+H2→CO+H2O碳沉積阻塞陽極的氣體通路。通過提高H2O的分壓，能夠避免碳沉積第90頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月NiO+CO2→Ni2++CO32-

Ni2++CO32-+H2→Ni+CO2+H2O△Ep（mV）=76.5log(p2/p1)對采用NiO作陽極的MCFC，NiO的溶解速度與pCO2成正比第91頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月△Ep(mV)=76.5log(p2/p1)第92頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度的影響

溫度的變化將影響燃料氣體的平衡組成，進(jìn)而改變可逆電動(dòng)勢。

第93頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第94頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月△Ut(mV)=2.16(t2-t1)575℃≤t≤60O℃△Ut(mV)=1.40(t2-t1)600℃≤t≤650℃△Ut(mV)=0.25(t2-t1)650℃≤t≤700℃第95頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月反應(yīng)氣體組成和使用率的影響

第96頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第97頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)的影響

第98頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月電流密度的影響

△UJ(mA)=-1.21△J50<J<150△UJ(mA)=-1.76△J150<J<200[其中J為電池工作電流密度（mA/cm2）]隨著J的增大，線性歐姆增大。

第99頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月運(yùn)行時(shí)間的影響

△U壽命(mA)=-5mV/1000h

第100頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月電池隔膜；MCFC的電極；雙極板。

第101頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月隔膜壽命主要決定因素隔膜本身孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成大孔，隔膜阻氣能力降低；電解質(zhì)蒸發(fā)、腐蝕等原因引起電解質(zhì)流失，隔膜阻氣能力降低。

第102頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月電解質(zhì)隔膜壽命指標(biāo)隔膜阻氣壓差：△P≥0.1MPa，隔膜孔徑D≤7.92μm；隔膜孔隙率：40％≤p≤70％。第103頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第104頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第105頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月

陰極熔解；陽極蠕變；雙極板腐蝕；電解質(zhì)流失。第106頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月陰極熔解短路機(jī)理NiO+CO2→Ni2++CO32-Ni2++CO32-+H2→Ni+CO2+H2O第107頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月提高陰極抗腐蝕能力措施在NiO陰極中加入少量Co、Ag或LaO等。（如陰極NiO-GeO3是NiO中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%Ge而制得，它的熔解速率是NiO的0.1倍。）第108頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月改變操作條件，降低陰極NiO溶解速率。（反應(yīng)氣CO2分壓，就可降低陰極熔解速度。又如在電解質(zhì)鹽中加入堿土類碳酸鹽BaCO3、SrCO3和CaCO3等，以抑制NiO的熔解。）第109頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月尋找新型材料，代替NiO陰極。（如用熔融鹽法和高溫固態(tài)反應(yīng)法制備鈣鈦礦和尖晶石之類的材料，既有較高電導(dǎo)率和交換電流密度，又有較低溶解速率。）第110頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第111頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月NiO的溶解機(jī)理當(dāng)CO2的含量較高時(shí)，主要是酸性熔解，即：NiO+CO2→Ni2++CO32-

第112頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月在CO2含量較低時(shí)，主要為堿性溶解，即：NiO+CO32-→NiO22-+CO2

NiO+0.50CO32-+0.25O2→NiO22-+0.5CO2

第113頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)诫s改性的NiO陰極在熔鹽中的溶解行為及機(jī)理；表面改性的NiO陰極在溶鹽中的溶解行為及機(jī)理。第114頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第115頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第116頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第117頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月日本學(xué)者對MgO/NiO陰極

溶解機(jī)理的解釋添加在NiO中的MgO因溶解在碳酸鹽中而提高了熔鹽的“堿性”，從而在一定程度上減緩了NiO在電解質(zhì)中的“酸性溶解”；添加到NiO中的MgO的含量非常低，幾乎不能對熔鹽體系的堿性的大小產(chǎn)生影響第118頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月MgO提高了NiO的穩(wěn)定性，亦即MgO和NiO形成固溶體Mg1-xNixO，結(jié)構(gòu)上比上述兩種氧化物都穩(wěn)定，因此在熔融碳酸鹽中的溶解度也較低。沒有直接證據(jù)說明熔融碳酸鹽中固溶體結(jié)構(gòu)比NiO和MgO穩(wěn)定第119頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月

MgO(s)←→Mg2+(l)+O2-(l)NiO(s)←→Ni2+(l)+O2-(l)第120頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第121頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第122頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第123頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月向Ni陽極中加入Cr、Al等元素；向Ni陽極中加入非金屬氧化物；在超細(xì)LiAl02或SrTi03表面上化學(xué)鍍一層Ni或Cu。第124頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月表面包覆Ni或Ni-Cr-Fe耐熱合金，或鍍Al或Co；表面先形成一層NiO，然后與陽極接觸的部分再鍍一層鎳-鐵酸鹽-鉻合金層；以氣密性好、強(qiáng)度高的石墨板作電池極板。

第125頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月陰極熔解導(dǎo)致流失；

陽極腐蝕導(dǎo)致流失；雙極板腐蝕導(dǎo)致流失；熔鹽電解質(zhì)蒸發(fā)損失導(dǎo)致流失；電解質(zhì)遷移損失導(dǎo)致流失。第126頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月能源材料第六章固體氧化物燃料電池材料第127頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容固體氧化物電池簡介；電池材料；第128頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月

SOFC的研發(fā)始于20世紀(jì)40年代，80年代以后得到蓬勃發(fā)展。美國西屋電氣公司研制了管狀結(jié)構(gòu)的SOFC，用擠出成型方法制備多孔氧化鋁或復(fù)合氧化鋯支撐管，然后采用電化學(xué)氣相沉積方法制備厚度在幾十到100μm的電解質(zhì)薄膜和電極薄膜。第129頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月我國國內(nèi)技術(shù)水平則明顯落后。中國礦業(yè)大學(xué)從1998年開始SOFC基礎(chǔ)材料研究，獨(dú)立完成了電解質(zhì)材料YSZ納米超細(xì)粉體制備，采用流延成型工藝制備了電解質(zhì)薄膜，其瓷體致密度達(dá)到96-99％，電導(dǎo)率(1000℃)0.16S·cm-1，單體電池電壓輸出1.18V。第130頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第131頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第132頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月單體燃料電池組成電解質(zhì)；陽極或燃料極；陰極或空氣極；連接體或雙極分離器。

第133頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第134頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月管狀結(jié)構(gòu)電池堆單體電池自由度大，不易開裂；采用多孔陶瓷作為支撐體，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固；不用高溫密封，容易連接。第135頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月電流流經(jīng)路徑長,內(nèi)阻歐姆損失大；支撐管重量和體積大，能量密度低；支撐管厚，氣體擴(kuò)散成為控制步驟；須電化學(xué)汽相沉積法制備電解質(zhì)和電極層，生產(chǎn)成本高。第136頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第137頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月平板結(jié)構(gòu)電池堆幾何形狀簡單其制作工藝大為簡化。路徑短，內(nèi)阻歐姆損失小，能量密度高；結(jié)構(gòu)靈活，氣體流通方式多；組元分開制備和組裝，工藝簡便，電池質(zhì)量容易控制；電解質(zhì)薄膜化，可以降低工作低溫(700-800℃)，從而可采用金屬連接體。第138頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月采用陶瓷-玻璃壓縮封閉，易造成層間裂紋；連接處電阻高，損失大。第139頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月SOFC的優(yōu)點(diǎn)

發(fā)電效率高，能量密度大；燃料使用面廣；余熱利用價(jià)值高；無須使用貴金屬作為電極催化劑；適合進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和放大，避免了液態(tài)電解質(zhì)所帶來的腐蝕等問題。第140頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月陽極的基本要求穩(wěn)定性在燃料氣氛中，陽極必須在化學(xué)、形貌和尺度上保持穩(wěn)定。此外，陽極材料不能在室溫至制備溫度的范圍內(nèi)產(chǎn)生有較大摩爾體積變化的相變。

第141頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月電導(dǎo)率

陽極材料在還原氣氛中要具有足夠高的電子電導(dǎo)率，以降低陽極的歐姆極化。第142頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月相容性

陽極材料與相接觸的其他電池材料必須在室溫至制備溫度范圍內(nèi)化學(xué)上相容。第143頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月熱膨脹系數(shù)

陽極材料必須與其他電池材料熱膨脹系數(shù)相匹配，以避免在電池制備、操作和熱循環(huán)過程中發(fā)生碎裂或剝離。第144頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月孔隙率

陽極具有足夠高的孔隙率，以確保燃料的供應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物的排出?？紫堵实南孪蘅筛鶕?jù)電極上發(fā)生的傳質(zhì)過程予以確定，上限則必須考慮電極的強(qiáng)度。

第145頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月催化活性

陽極材料必須具有足夠高的催化活性，即低的電化學(xué)極化，并對雜質(zhì)具有允許限度。對于以甲烷或其他烴類為燃料的SOFC，要求陽極材料對重整反應(yīng)具有高的催化活性和抗積炭能力。第146頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月除了以上基本要求外，SOFC陽極還必須具有強(qiáng)度高、韌性好、加工容易、成本低的特點(diǎn)。

第147頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月Ni-YSZ金屬陶瓷陽極制備；物理性質(zhì)；穩(wěn)定性；導(dǎo)電性；熱膨脹。

第148頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月傳統(tǒng)的陶瓷成型技術(shù)(流延法、軋膜法)；涂膜技術(shù)(絲網(wǎng)印刷法、漿料涂覆法)；沉積技術(shù)(化學(xué)氣相沉積法、等離子體濺射法)。第149頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第150頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月Ni和YSZ在還原氣氛中具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，且在室溫至SOFC操作溫度范圍內(nèi)無相變產(chǎn)生。YSZ不能形成連續(xù)的骨架以負(fù)載Ni顆粒，在NiO還原后經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，Ni-YSZ陽極的尺寸和結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生明顯的改變。第151頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月Ni-YSZ金屬陶瓷陽極的燒結(jié)速率與Ni顆粒分布密切相關(guān)，其中Ni顆粒尺寸分布越寬，電極的燒結(jié)速度越快。高Ni含量的陽極較低含量陽極燒結(jié)退化速度快。第152頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月Ni-YSZ金屬陶瓷陽極的電導(dǎo)率與其中的Ni的含量密切相關(guān)。第153頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月低比表面積可以使Ni很好的分散，有利于Ni顆粒間的接觸，提高金屬陶瓷陽極的電導(dǎo)率。第154頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月Ni-YSZ陽極的熱膨脹系數(shù)隨組成不同而發(fā)生改變?？稍陔娊赓|(zhì)中攙入添加劑的方法來提高電解質(zhì)對因膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生應(yīng)力的抵抗能力。第155頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月第156頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月陰極材料基本要求

穩(wěn)定性

在氧化氣氛中，陰極材料具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性，且其形貌、微觀結(jié)構(gòu)、尺寸等性質(zhì)在電池運(yùn)行過程中不能發(fā)生明顯變化。第157頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月電導(dǎo)率

陰極材料必須具有足夠高的電子電導(dǎo)率，以降低陰極的歐姆極化；陰極還具有一定的離子導(dǎo)電能力，以利于氧離子向電解質(zhì)隔膜的傳遞。第158頁，課件共176頁，創(chuàng)作于2023年2月催化活性

陰極材料對氧電化學(xué)