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高温固体氧化物燃料电池实验演示

高温固体氧化物燃料电池实验演示

贺天民,孙敬姝,吕喆,裴力,刘江,梁浩,苏文辉

(吉林大学物理系 长春 130023)

  摘要:介绍一种高效低污染的新型能源——高温固体氧化物燃料电池的工作原理及其演示实验装置。

  1引言

  燃料电池是一种将燃料与氧化剂反应的化学能直接转换成电能的电化学装置[1-2]。现在所使用的化学电源(即电池)是本身存有化学能,而燃料电池是利用电化学反应使氢等燃料氧化,直接获取电能,因此,燃料电池是一种电化学发电机[3]。化学能转变为其他形式的能量有两种途径:一是经过热焓变化热能的途径,在热能转换成机械能时要受卡诺循环的限制;二是吉布斯自由能变化以有用功的形式直接转变成电能,而燃料电池是把反应的吉布斯自由能变化直接转换成电能,所以燃料电池的效率不受卡诺循环的限制,具有很高的发电效率。与其它类型的燃料电池相比,高温固体氧化物燃料电池(SOFC)具有很多优点[4]:全固态的电池结构,无液态电解质的腐蚀和泄漏等问题,排放的NOx和SO2少、噪音低,燃料适应广泛,可实现热电联产,总的效率可达80%。因此高温SOFC是一种高效低污染的绿色能源。

  2固体氧化物燃料电池的工作原理

  固体氧化物燃料电池(SOFC)是由两片陶瓷电极(燃料极和空气极)和介于电极之间的固体氧化物电解质组合而成。通过不断向空气极(阴极)提供氧化剂,向燃料极(阳极)提供燃料就可得到源源不断的电能输出。在SOFC中,采用固体氧化物氧离子导体材料做电解质起传导氧离子和分离燃料、空气的双重作用,因此,要求固体氧化物电解质具有足够高的离子导电率和致密性。固体氧化物燃料电池的工作原理如图1所示。

  把外部负载接到电极上,在多孔空气极上,空气中的氧从外电路接受2个电子被还原成氧离子,在高温下,氧离子容易移动进入固体电解质中的氧空位,在空气极上发生的反应是

  氧离子在电场的作用下,通过电解质中的氧空位迁移到燃料极与燃料中的氢或一氧化碳结合,生成水或二氧化碳,并放出2个电子,电子通过外电路流向空气极,在燃料极上发生的反应是

  在燃料极上起反应的氧离子数目,等于进入固体电解质的氧离子数目,所以固体电解质保持电中性。固体氧化物燃料电池中的总反应为

  只要不断地供给燃料和空气,反应就能继续下去,就能产生源源不断的电能。

  3固体氧化物燃料电池实验装置与演示

  固体氧化物燃料电池实验装置如图2所示。它由燃料电池、加热系统和测试系统三部分组成。加热系统由管式电炉或管式气体加热炉进行加热,用热电偶及控温仪表进行控温。测试系统由两块多功能数字万用表、电阻箱和连接导线构成。SOFC中的固体氧化物电解质(钇稳定化氧化锆)采用注浆法制备成管状或用干压法制备成圆片,经1650℃烧结,保温4h,制得致密电解质。用多孔银基材料做电极分别涂覆于电解质的两侧。以氧化铝管作导管,用高温密封材料将导管与固体电解质进行密封,输入燃料气体,用银丝作电极导线接入外电路。

  将电池放入加热炉中进行加热,以氢气为燃料,空气为氧化剂气体,工作温度从室温升至850℃,对SOFC的电学性能进行测试,测量电池在不同温度下输出的电压和电流。随着温度的升高,在160℃左右时,电池开始产生电压,在560℃左右电压达到最大值,随后电压缓慢下降,而输出电流却随温度的升高而明显增大。由于随温度的升高,电解质的电阻下降,使输出电流增大,电学性能也明显提高。以小灯泡为负载时,随温度的升高,小灯泡也逐渐由暗变亮。随着温度的进一步升高,可带动小灯泡数量也增多。多节SOFC串联构成的电池组还可带动收录机、电须刀等电器正常工作。

  4结束语

  固体氧化物燃料电池是一种高效低污染的新型能源,是技术含量很高的高新技术,能把这一前沿课题转换成演示实验,本身是一种尝试,对于学生了解高科技成果有重要的意义。

  SOFC涉及到物理、电化学和材料等诸多学科,是多学科知识集成,通过这样的实验有利于培养交叉学科的复合人才,特别是有利于培养学生的创新意识和创新能力。同时对于学生了解晶体结构缺陷对其电性能的作用,认识快离子导体(固体电解质)材料的性能及其与影响因素(温度、组分)的关系,把快离子导体这一固体物理新兴领域的理论与其应用实践相结合,将理论用于实践,指导实践,丰富理论课教学内容是十分有益的。

  5参考文献

  1U.S.DepartmentofEnergy , MorgantownEnergy Technology Center.FuelCells-A Handbook (Revision3).Morgantown:WestVirginia,1994.1

  2周运鸿.燃料电池.电源技术,1996,20(4):161

  3郭公毅.燃料电池.北京:能源出版社,1984.2

  4MinhNQ.CeramicFuelCells.J.Am.Ceram.Soc.,1993,76(3):563~588

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