3.4.2 氢气中对称电池的电化学交流阻抗谱 22

结  论 28

致  谢 29

参 考 文 献 30

1 绪论

1.1 研究背景

能源和环境是当今社会面临的重大问题，中国经济快速发展的代价是严重的环境污染和日渐消耗的化石能源，能否有效地解决这些问题关乎我国能否长期可持续发展。中国经济的快速发展和能源需求量的急剧上升，给各个城市带来了严重的环境污染问题。如果能源和环境问题得不到有效解决，不仅可持续发展的目标难以实现，我们的生存环境和生活质量也将受到严重威胁。因此，传统能源高效洁净利用和新能源技术的开发应用是科研工作者的重要任务之一。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell-SOFC）就是一种战略性的能源新技术[1]。它是一种不需要经过燃烧过程的高效率低污染的发电装置，它不受卡诺循环的限制，能量转化率高[2]，它能在高温下实现由化学能到电能的直接转换。SOFC采用全固态结构，无腐蚀、无泄漏，可以直接利用天然气等碳氢化合物为燃料，这使得它相对于其他燃料电池有了有了巨大优势[3]。因此，SOFC发电系统被认为是本世纪最有应用前景的绿色高效发电系统[4]。

1.2 SOFC简介

固体氧化物燃料电池（SOFC）是由阳极、阴极、电解质组成的，能够将反应物中的化学能直接转化为电能的全固态发电装置。单体固体氧化物燃料电池由两端多孔电极和两电极之间致密的氧离子导电电解质层组成，在阳极侧持续通入燃料气，在阴极侧持续通入氧气或空气，氧分子在阴极得到电子被还原成氧离子，氧离子再电极两侧氧浓度差的催化作用下通过致密电解质层中的氧空位定向跃迁，迁移至阳极上与燃料气体进行氧化反应，放出电子，电子传导外电路形成电流，从而带动负载工作。

单电池电压仅有1V且输出功率有限，为了SOFC的实际应用，需要用连接体、密封材料将很多个单电池组装在一起，堆叠成电池组[5]。

单电池主要分为平板型和管式两种，其中平板型功率密度高，制作成本低，是当前主要的研究方向。在制作平板型单电池时，需要将某一部分制成一定厚度来达到一定的机械强度以方便单电池的堆叠。将单电池的哪一部分变厚就是所谓的哪一部分支撑。

在实际研究和加工制作中，形成了四种不同的结构类型：电解质支撑型、阳极支撑型、阴极支撑型和金属支撑型[6]。

不同支撑类型SOFC优缺点对比详见表1.1：

表1.1：不同支撑类型SOFC的优缺点比较

支撑类型 优点 缺点

电解质支撑型 电解质致密度高，稳定性好，控制工艺简单，成本低 欧姆阻抗较大，需要较高的工作温度，限制了SOFC的选材范围

阴极支撑型 可使阳极减薄，减少阳极与电解质的连接应力，运行温度低 极化阻抗大，电解质的制备较困难，化学稳定性不高

阳极支撑型 高电导阳极，电解质薄，运行温度低 电解质的高温烧结易造成阳极孔隙率减少，厚阳极引起传质限制

金属支撑型 热传导性能好，制造加工技术成熟，成本低 致密电解质膜技术不成熟，Ni、Fe、Cr等元素易向阳极迁移导致性能衰减

   以前的SOFC以电解质支撑型为主，然而为了达到所需的支撑强度，所制备的电解质较厚，导致电解质的电阻较大，降低电池的输出功率，而且电解质支撑的SOFC工作温度通常在800-1000℃，条件较为苛刻；阴极支撑的SOFC阴极材料大多为钙钛矿型结构，电子电导率低，限制了电池性能的提高；金属支撑型SOFC的致密电解质膜技术不成熟，限制了其发展；阳极支撑型SOFC虽然有阳极高温烧结时孔隙率减小的问题，但是它具有阻抗低、功率密度高、中低温运行、机械强度高和稳定性高的很多优点，这是其他类型SOFC所不具备的，所以阳极支撑型SOFC成为时下研究的热门[7-8]。