纳米技术在固体氧化物燃料电池中应用

1、纳米技术在固体氧化物燃料电池中的应用1纳米科技纳米科技：研究尺度在0.1-100nm 范围内材料的性质及其应用；用单个原子、分子制造物质的科学技术。表面效应体积效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应光学性质电磁性质化学和催化性能热性质纳米材料特性分子的自组装纳米Ag/SiO2催化剂碳纳米管纳米Cu2高效、洁净、全固态结构、高温运行的固体氧化物燃料电池(SOFC) 是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置,这种新型发电技术是目前发展最快的能源技术之一,有望在近年内走向商业化应用. SOFC 单体电池由致密的电解质和多孔的阳极、阴极组成,现在主要发展了管状结构和平板式结构两种形式. 单体电池通过致密

2、的连接体材料以各种方式组装成电池组,广泛应用于大型发厂、热电耦合设备、小型供能系统和交通工具等,市场前景广阔.固体氧化物燃料电池技术3和一般燃料电池一样,SOFC 也是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置,只不过工作温度较高,一般在800 1000 . 它也是由阳极、阴极及两极之间的电解质组成.固体氧化物燃料电池工作原理4固体氧化物燃料电池工作原理在阳极一侧持续通入燃料气,例如H2 、CH4 、煤气等,具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体例如氢,并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面. 在阴极一侧持续通入氧气或空气,具有多孔结构的阴极表面吸附氧,由于阴极本身的催化作用,使得O2 得到

3、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.5固体氧化物燃料电池工作原理6固体氧化物燃料电池技术的优点优势：全固结构避免了腐蚀及电解液流失。电极反应过程迅速。无需采用贵金属，成本低。燃料适用范围广。可实现热电联用，能量综合利用率高。缺点：由高温引起的技术难题较多改进：研制中温及低温固体氧化物燃料电池。7纳米技术与固体氧化物燃料电池的关联固体氧化物燃料电池纳米技术高电导率、高催 化活性的电极材料高氧离子电导率的电解质材料有效控制电极微结构的电池制备工艺降低电极

4、、电解质之间的界面电阻降低材料的烧结温度高比表面积高催化活性提高电极的孔隙率改善电极-电解质间的界面接触纳米尺度的电极、电解质材料的制备纳米电极的制备纳米粒子修饰的高活性电极8纳米尺度的电极、电解质材料的制备纳米粉体的制备技术固相法液相法气相法 有机配合物前驱体法沉淀法水热合成法溶胶-凝胶法溶液蒸发法辐射合成法微乳液法9纳米尺度电极、电解质粉料的制备应用实例（1）sol-gel法制备纳米级电解质材料YSZ丙醇Zr 去离子水 无水乙醇 乙醇溶液Zr的醇溶液HPC搅拌均匀的混合溶液Y(NO3)36H2O混合溶液慢速搅拌4h静置24h溶胶80oC-100oC烘干研磨前驱粉料不同温度焙烧纳米YSZ优点

5、：纳米尺度的YSZ具有较高的离子电导率与机械强度，同 时改善其烧结性能。YSZ：Y2O3稳定ZrO2 SEMXRD10纳米电极的制备阴极：LSM/YSZ，SSC/GDC， LSCF，LSC阳极：Ni-YSZ，Ni-GDCH2，CH4O2,Air增加电极的孔隙率，增长三相界面的长度改善电极-电解质界面 高能球磨法纳米复合电极 自组装法 喷涂法LaxSr1-xMnO3(LSM)Sm0.5Sr0.5CoO3-(SSC) La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-(LSCF) La08Sr02CrO3（LSC） Gd2O3掺杂CeO2(gadolmia doped ceria,GDC) 11纳米复

6、合电极的制备应用实例（3）自组装法制备Ni/YSZ复合纳米电极乙醇锆乙二醇回流N2保护乙醇酸锆蒸馏醋酸钇乙二醇搅拌N2保护乙醇酸钇乙醇酸锆钇H2O,CTAB,NiOH醋酸镍+乙二醇混合溶液搅拌20min80oC1-5d真空过滤洗涤前驱粉450oCNiOx-YSZ400oCH2Ni-YSZ12Meso-NiOx-YSZMeso-Ni-YSZMeso-Ni-YSZMeso-NiOx-YSZMeso-NiOx-YSZMeso-Ni-YSZNiOx-YSZ及Ni-YSZ的电镜照片优点：具有大孔径、厚孔壁的中孔Ni/YSZ复合纳米材料，不仅可以增加颗粒间孔隙率，而且本身具有内孔，一方面有效提高了气体的扩

7、散速率，另一方面增加了三相界面的长度，改善了Ni与YSZ的接触界面。13纳米复合电极的制备应用实例（4）喷涂法制备SSC-GDC复合电极GDC颗粒含有Sm,Sr,Co的乙醇溶液混合溶液燃烧沉积在GDC电解质上SSC-GDC复合纳米电极喷涂14Ni-GDC/GDC/SSC-GDC电池的交流阻抗及相应的阿伦尼乌斯曲线特点：微米级的GDC颗粒镶嵌在纳米尺度的SSC中，具有较高的空隙率，促进了气体的传递，提高了电极反应速率。15纳米粒子修饰的高活性电极将氧化物或金属催化剂浸渍至电极骨架中，在较低温度焙烧形成纳米颗粒，以提高电极的催化活性。应用实例(5) GDC纳米粒子修饰的LSM阴极的制备及表征将计量

8、比的Ce(NO3)3和Gd(NO3)3滴到已制备好的LSM阴极上，使其通过毛细管作用渗透至整个电极，在850oC焙烧，形成纳米GDC相。LSM及LSM/GDC复合电极电镜照片LSM0.8 mg/cm2GDC浸渍的LSM5.8 mg/cm2GDC浸渍的LSM16LSM及LSM/GDC复合电极阻抗谱图极化阻抗与GDC担载量的关系图有效提高LSM的催化活性，改善阴极电解质界面，具有成本低、易操作的特点。Material Science and Engineering A 418 (2006),199.17纳米科技是一种新兴的学科，应用于固体氧化物燃料电池体系，可有效提高电极的电导率、催化活性，优化电

9、池微结构，改善界面接触，从而提高其发电效率，推动其在中低温领域的发展。目前为止，纳米技术在固体氧化物燃料电池领域的研究还较少，在开发新的纳米合成路线的同时，尚需对纳米电极的电导、电催化特性、电极过程等进行研究。18参考文献S. Shukla, S. Seal, R. Vij, S. Bandyopadhyay, Nano Letters, 3(2003),397.E.H. Walker, A.W. Apblett, R. Walker, A. Zachary, Chem. Mater., 16(2004),5336.K. Murata, T. Fukui, C.C. Huang, M.Naito, H. Abe, K. Nogi, Journal of Chemical Engineering of Japan, 37(2004)568.M. Mamak, N. Coombs, G.A. Ozin, Chem. Mater. 13(2001),3564.M. Mamak, N. Coombs, G. Ozin, J.Am.Chem.Soc.,122(2000)8932.Y. Liu, S. Zha, M. Liu, Chem. Mater.,16(2004)3502.S.Jiang, Material Science and Engineering A 418 (2006),1