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1、读书报告：YSZ高温离子导体传递。2-机理的研究03122 王瑜 20121004018摘要：在电化学课上初步了解固体氧化物燃料电池后，我开始了对固体氧化物电解质YSZ 传递。2-机理的思考。在查阅大量文献后，发现有两种反应机理，即迁移机理和挤出机理， 可以解释传递。2-的YSZ高温离子导体传递。2-机理。本文对这两种机理做出了解释，提出 了尚待成熟的验证方法。关键词：YSZ,固体氧化物燃料电池，迁移理论，挤出理论，0况同位素示踪法。固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它无材 料腐蚀和电解液腐蚀等问题：在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其
2、综合效率可由50%提高到70%以上；它的燃料适用范围广，不仅能用H2,还可直接用C0、 天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、NH3、H2S等作燃料。这类电池最适合于分散和集 中发电。其装置图，如下图图一所示。必 20必 Hr4-O H 9+N攻 CH.+O A CO CCX CFL CH图一固体氧化物燃烧电池工作原理。2作为电池阴极，发生还原反应，生成。2 一，通过电解质的传递作用，。2 -由阴极到这阳 极，在阳极区与H2反应生成水，这就是固体燃烧电池电池SOFC的作用机理。而固体电解质 是SOFC的核心部件，在很大程度上决定了 SOFC的输出功率和电流密度。左。2作为一种性 能优异的高温离
3、子导体，尤其在添加氧化切改性后，拥有较高的离子电导率和良好的结构稳 定性，所以在固体氧化物燃烧电池SOFC领域得到了广泛关注。但是YSZ的性能通常用电导率表示,，而YSZ传递。2-机理，一直都没有弄清楚。我查阅 的大量的文献，认为机理有以卜两种可能性。一. YSZ高温离子导体传递。2机理猜测1.。2在高温的YSZ中通过迁移作用移动到阳极。（迁移理论）。2在阴极与YSZ固体电解质的交界面（几个纳米厚的分子层）上，发生还原反应，生 成。2-。当ZrO2晶体中掺入了丫2。3后，晶体中的部分Zr被丫椰代后，由于两种离 子与。的配位数不同，在晶体中产生大量氧空位，形成氧离子浓差，当温度升高到 一定数值后
4、，02可以在不同氧空位自由移动，使掺杂的左。2具有离子导电性。反 应机理如下图图二所示：/氧空位阴极区的02-阴极区图二氧负离子在固体电解质YSZ中的迁移机制示意图2.阳极。2-挤出YSZ中的。2-,以达到。2-的传递作用。（挤出理论）。2在阴极与YSZ固体电解质的交界面（几个纳米厚的分子层）上，发生还原反应，生 成。2-。在阴固界面上，靠近阴极区的界面上的。2-浓度大于靠近固体电解质YSL 那一侧的。2-浓度，在浓差的作用下，。2-由阳极区进入到YSL中，假设YSL的 。2-离子填充是致密的规律的且在高温下。2-是可以移动的，阳极区的02-挤压靠近 阴固界面的。2 一，被挤压的。2-挤压另一
5、个与它相邻的。2-，在电解质内部不断挤压 的作用下，靠近氧固界面的。2-被挤压出来，与阳极区的氢气反应生成水，完成传 递。2-过程。反应机理，如下图所示：图四氧负离子在固体电解质YSZ中的被挤出机制示意图二. 机理验证性实验方案。由于在上述两种机理中，进入阳极的。2 -的来源不同，因此可以通过标记阴极区的 一定浓度的。2,并在阳极区检测其放射性以及氧同位素浓度比0】8/0】6,即可以验证机 理也2.1实验方案2.1.1实验器材阴极材料：氧气；阳极材料：一氧化碳：固体电解质：YSL：其他装置按需需求。2. 1. 2实验方案(大致实验方案的设计，仍需改进侣 制备0、； 往电池的阳极区通入混有已知浓
6、度的02的氧气混合气体； 一段时间后，用ICP-MS检测阴极区的0】8的含量，与通入阳极区的0】8含量作 对比。2.1. 3预实验结果分析根据阳极区是否出现0】8以及阴极和阳极区0】8的浓度，可以预分析出以下三种 结果： 阳极区出现0】8且阴阳极0】8浓度相同，说明反应机理是迁移反应机理； 阳极区未出现0】8,说明反应机理是挤出反应机理 阳极区出现0】8且阴阳极0】8浓度不相同，并且阳极区的浓度小于阴极区的浓 度，说明该反应机理既存在迁移理论又存在挤出理论。三. 参考文献(1) . R0M203_Zr02_离子导体固体电解质的制备与性能研究王萌萌；(2) .电导率测量原理王洪铸；胡秀丽；傅巍；(3) .钮稳定Zr0_2固体电解质氧传感器的研究 简家文；(4) 同位素示踪法的应用苟玉花；(5) 稳定同位素质谱与同位素光谱结合的方法分析氧同位素Oi7/oi8李立武；王广；李中平：杜丽：曹春辉(6) 核医学示踪剂原料氧-18水高纯度回收工艺的研究杨忠东
