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经典实例3

BaCe 1-x M x O 3-α 的燃料电池测定

一、背景

固体燃料电池是一种发电装置,使用时利用效率很高而且不会出现污染环境的问题 [1] 。燃料电池经历了三代:第一代是磷酸燃料电池,经过一段时间的发展出现了第二代熔融碳酸盐燃料电池,最后随着人们对燃料电池的要求越来越高,促使燃料电池发展到了第三代固体氧化物燃料电池 [2] 。由于高温对电池各部件很多方面提出了较高的要求,因此选用材料时,材料的选择受到了很多的限制 [3] ,因此降低SOFC的操作温度可以带来很多的益处,比如可以提高电极的稳定性,使得材料选择的范围更广,因此这一课题目前受到人们的广泛关注。燃料电池是将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池有以下优点:(1)高效率;(2)电极反应速率快;(3)噪声低,可以实现零排放,省水;(4)安装周期短,安装位置灵活;(5)燃料多样化,环境污染少。在众多燃料电池中,应用最多的要数固体氧化物燃料电池(SOFC),它是能量转换效率最高的第三代燃料电池系统。尧巍华,唐子龙等 [4] 曾研究LaGaO 3 基固体电解质在SOFC中的应用。汤宏伟,陈宗璋等 [5] 更是对固体电解质在新型绿色环保电池中的应用做了极为详细的介绍。刘江、黄喜强等制备了含质子导体的SrCe 0.90 Gd 0.10 O 3 固体电解质,并对以其为电解质的燃料电池性能进行研究,结果显示,电池的输出电压与温度的大小有着十分密切的关系 [6] 。王茂元、仇立干合成了Ba x Ce 0.8 Ho 0.2 O 3-α (x=1.03,1,0.97)系列固体电解质,其研究结果表明,Ba 1.03 Ce 0.8 Ho 0.2 O 3-α 具有最大的氢-空气燃料电池输出功率和最高的电导率 [7]

二、原理

SOFC的工作原理如图1 [8] 所示:在阴极(空气电极)上,氧分子得到电子被还原成氧离子:

在电场作用下,氧离子通过电解质中的氧空位迁移到阳极(燃料电极)上与燃料(H 2 、CO或CH 4 )进行氧化反应:

电池总的反应方程式为:

图1 SOFC的工作原理

三、仪器和试剂

1.仪器

高温箱式电炉;分析天平;玛瑙研钵;球磨机(2台);电位差计;

磁力搅拌器;烘箱;DSC-TGA热分析仪;酸度计。

2.试剂(分析纯)

固相法:Ba(CH 3 COO) 2 ;CeO 2 ;相应金属氧化物;无水乙醇。

微乳液法:Ce(NO 3 3 ·6H 2 O;Ba(CH 3 COO) 2 ;相应金属硝酸盐;

浓HNO 3 ;无水乙醇;碳酸铵;氨水;环己烷;柠檬酸;PEG。

四、步骤

(1)采用固相法或微乳液法合成BaCe 1-x M x O 3-α

(2)取之前合成好样品,用螺旋测微器测量样品的厚度,要将待测样品在细砂纸上打磨成薄片;其次,在打磨好的样品上画圆并涂上铂金浆料,在红外灯下烘干;再次,将烘干后的样品片放到测试架上的电炉中,按照顺序连接好各线路;最后,打开电源开关和仪器开关,测试,记录经电脑处理得到的相应数据。

五、参考文献

[1]储怡.固体氧化物燃料电池[J].佳木斯大学学报(自然科学版),1999,17(02):184-186.

[2]郝红,冯国红,曹艳芝.中低温固体氧化物燃料电池的研究现状[J].广西轻工业,2010,(06):32-33.

[3]李世萍,鲁继青,罗孟飞.钐掺杂对CeO 2 电解质导电性能的影响[J].中国稀土学报,2009,27(03):410-413.

[4]尧巍华,唐子龙,张中太等.LaGaO 3 基固体电解质在SOFC中的应用[J].硅酸盐学报,2002,30(3):347-351.

[5]汤宏伟,陈宗璋,钟发平.固体电解质在新型绿色环保电池中的应用[J].化学世界,2003,8:437-440.

[6]刘江,黄喜强,刘志国,等.SrCe 0.90 Gd 0.10 O 3 固体电解质燃料电池性能研究[J].高等学校化学学报.2001.630-633.

[7]王茂元、仇立干.固体电解质BaxCe 0.8 Ho 0.2 O 3-α 的导电性及其燃料电池性能[J].无机化学学报.2009.25(2).339-344.

[8]易光宇.吉林大学硕士学位论文[D].长春:吉林大学,2006,5:3-20. axiZBy5P0ellspmXANikwNxAgeSQDw2ZdlPx7FLrN7XB2IZj3epGANCmJNkhCdLb

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