BaCeO3固体氧化物燃料电池及其性能

李国涛(温州大学，浙江 温州 325035)

BaCeO3固体氧化物燃料电池及其性能

李国涛(温州大学，浙江 温州 325035)

固体氧化物燃料电池(SOFC)是近几年发展起来的具有无腐蚀，具有较高的能量转换效率、绿色环保、适应性强、和电池寿命长等诸多优点，这些优势引起了这方面研究人员的极大兴趣和许多国家的高度重视。本文介绍了SOFC的基本概念、工作原理、发展现状、和固体电解质材料的一些展望

固体氧化物燃料电池(SOFC)；固体电解质；发展现状；性能

随着人口的不断增长和经济的迅猛发展，人类过度开发能源所造成的环境污染和生态破坏等问题变得日益严重，能源危机和环境污染迫在眉睫，要解决能源安全和可持续发展的问题，我们不仅需要大大提高现有能源高效、清洁的开发技术和使用效率，而且必须开发绿色环保、高效便捷的新型持续的能源技术，这将成为人类发展生存的重大课题。燃料电池是由化学反应将化学能直接转换成电能的一种装置。现阶段主要将燃料电池分为五类：碱性燃料电池(AlkalineFuel Cell,AFC)、质子交换膜型燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEM⁃FC)、磷酸盐型燃料电(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)、溶融碳酸盐型燃料电(MoltenCarbonate Fuel Cell,MCFC)和固体氧化物型燃料电池(SolidOxide Fuel Cell,SOFC)[1]，PEMFC由于其电解质膜成本昂贵而阻碍商业化进程；PAFC是目前商业化应用程度最高的但是需要贵金属铂作催化剂的燃料电池；MCFC发电站现今已接近商业化发展；SOFC是具有诸多优点的全固态封装结构的无需贵金属催化剂的最具发展潜力的燃料电池[2]。

1 固体氧化物燃料电池(SOFC)的基本概念

1.1 SOFC的结构及其基本工作原理

SOFC的单电池是通过一层致密的电解质材料和两层多孔的电极三层结构组成的电化学发电装置，其中多孔电极用于发生电化学催化反应和传输电流，电解质层用来传导氧离子或质子，同时具有隔离作用。[3]在阳极端(燃料发生氧化反应的主要场所)通入燃料气(H2、CO、CH4等)，在阴极端(发生还原反应的主要场所)通入氧化气(O2或者空气)；电解质分隔了阴极的氧化气与阳极燃料气的直接接触；氧化气在阴极通过吸附和催化反应，得到从外电路传导过来的电子生成O2-，O2-再由电解质传导至阳极；燃料气体在阳极端发生吸附和催化反应，与O2-反应并向外电路释放电子。

1.2 SOFC的优点

SOFC具有如下的一系列优点：(1)SOFC的能源转换效率高且污染小；(2)由于是全固体组件，没有蒸发、电解液流失和腐蚀的问题；(3)由于温度较高，排出的余热可以取暖也可与轮机联用用来循环发电，通过这写提高了能量利用效率；(4)由于不用使用贵金属电极，电池的成本也大大下降；(5)燃料广泛，除了H2和CO还可以直接用天然气和其它碳氢化合物为燃料。

2 SOFC的材料要求及其发展现状

燃料气以及从电解质中迁移过来的O2-在阳极反应，所以阳极材料通常需要满足：(1)电子导电性好，反应时能够实现快速电荷交换；(2)透气性好，为了使燃料气顺利的扩散到电极处参与反应并将产生的水移走；(3)还原气氛下较为稳定，同时对燃料气具有优良的催化活性；(4)耐热性能好，可以适应从室温到高温的热循环，兼有热力学能和化学兼容性，可以用来匹配SOFC其他元部件。目前最常用的阳极材料为金属陶瓷复合体如Ni-YSZ（钇稳定的ZrO2）金属陶瓷，这种材料首先可作为Ni粒子的支架，用来限制Ni晶粒的增长导致的阳极活性降低，另一方面使得阳极的热胀系数与电解质(YSZ)相匹配，保持Ni的分散性和阳极的多孔性，多孔Ni粒子一方面为阳极中电子流提供了通道，另外一方面还对氢的还原起到催化作用；另外提供了氧离子电导，使阳极的电化学反应活性区域得到扩展，目前，探索防止碳淀积的阳极新材料成为SOFC最活跃的研究领域之一。SOFC的阴极发生氧化剂的电化学还原反应，因此阴极材料需要具备：(1)高的电子导电率；(2)在高温氧化状态下耐腐蚀；(3)透气性好；(4)与电解质的热匹配性好。

3 结语

能源、环境和实现资源高效利用的循环经济是当今社会发展的核心课题，具有高能的电池将在电子信息、新能源及环境保护等方面具有举足轻重的地位和作用，固体电解质燃料电池有很多的优点，对人类现在的生活带来了许多便捷，相信其具有着很好的应用前景。

[1]Radojkovic A,Savic S M,Jovic N,et al.Structural and elec⁃trical properties of BaCe0.9Ee0.1O2.95 electrolyte for IT-SOFCs[J]. Electrochimica Acta,2015,161:153-158.

[2]Babu A S,Ranjit Bauri.Phase evolution and morphology of nanocrystalline BaCe0.9Er0.1O3-δ protonconducting oxide synthe⁃sised by anovel modified solution combustion route[J].Journal of Physics and Chemistry of Solids,2015,87:80-86.

[3]Agnieszka Lacz,Katarzyna Grzesik,Paweł Pasierb.Electri⁃cal properties of BaCeO3-based composite protonic conductors[J]. Journal of Power Sources,2015,279:80-87.

李国涛（1990-）男,汉河南省固始县温州大学化学与材料工程学院 在读硕士 有机合成化学