纳米技术在固体氧化物燃料电池中的应用.ppt

1、纳米技术在固体氧化物燃料电池中的应用,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。,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,和一般

2、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,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

3、料气体发生反应,失去的电子通过外电路回到阴极.,固体氧化物燃料电池工作原理,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。,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,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,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,纳米尺度电极、电解质粉料的制备应用实例（1）sol-ge

4、l法制备纳米级电解质材料YSZ,优点：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,纳米电极的制备,阴极：LSM/YSZ，SSC/GDC， LSCF，LSC,阳极：Ni-YSZ，Ni-GDC,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,LaxSr1-xMnO3(LSM),Sm0.5Sr0.5CoO3-(SSC),La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-(LSCF),La08Sr02CrO3（LSC）,Gd2O3掺杂CeO2(gadolmia doped ceria,GDC),纳米复合电极的制备应用实例（3）自组装法制

5、备Ni/YSZ复合纳米电极,Meso-NiOx-YSZ,Meso-Ni-YSZ,Meso-Ni-YSZ,Meso-NiOx-YSZ,Meso-NiOx-YSZ,Meso-Ni-YSZ,NiOx-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。,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,Ni-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

6、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。,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

7、A 418 (2006),199.,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。,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,

8、 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),199. M. Mamak, G.S. Metraux,