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第IV部分稀土在新能源電池市場(chǎng)的介紹
第三十章稀土元素在燃料電池中的應(yīng)用

燃料電池是一種將燃料（如氫氣、甲醇等）與氧化劑（通常是氧氣）直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有高能量轉(zhuǎn)換效率、低污染排放和燃料多樣化等優(yōu)點(diǎn)。稀土元素因其優(yōu)異的催化性能、離子導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，在燃料電池的多個(gè)關(guān)鍵組件中發(fā)揮著重要作用。

燃料電池圖片

一、稀土元素在燃料電池正極材料中的應(yīng)用

鑭（La）：鑭元素常被用作燃料電池正極材料的組成部分，特別是在混合離子導(dǎo)體燃料電池（HICFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）中。鑭基復(fù)合氧化物（如LaSrMnO?）作為SOFC的陰極材料，具有良好的離子和電子導(dǎo)電性，能夠促進(jìn)氧氣的還原反應(yīng)，從而提高電池性能。此外，鑭還被用于改性其他正極材料，以提高其電化學(xué)活性和穩(wěn)定性。

金屬鑭圖片

釹（Nd）：雖然釹在燃料電池正極材料中的直接應(yīng)用較少，但其作為NdFeB永磁材料的關(guān)鍵原料，在燃料電池系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中廣泛應(yīng)用。這些設(shè)備的效率提升間接促進(jìn)了燃料電池系統(tǒng)的整體性能。

二、稀土元素在燃料電池電解質(zhì)材料中的應(yīng)用

釔（Y）：釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）是SOFC中最常用的電解質(zhì)材料之一。YSZ在高溫下具有優(yōu)異的離子導(dǎo)電性能，能夠有效傳導(dǎo)氧離子，從而提高燃料電池的功率密度和運(yùn)行效率。此外，YSZ還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠抵抗電池運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的腐蝕和變形。

鈰（Ce）：氧化鈰（CeO?）及其摻雜化合物也是燃料電池電解質(zhì)材料的重要選擇。CeO?具有較高的氧離子導(dǎo)電性和儲(chǔ)氧能力，在低溫燃料電池（如質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC）中作為電解質(zhì)添加劑或涂層材料，可以提高電池的性能和穩(wěn)定性。此外，CeO?還可用作固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極材料，促進(jìn)燃料的氧化反應(yīng)。

氧化鈰圖片

三、稀土元素在燃料電池催化劑中的應(yīng)用

鑭（La）：鑭及其化合物在燃料電池催化劑中有著廣泛的應(yīng)用。例如，在PEMFC中，鑭鎳合金（LaNi?）被用作陽(yáng)極催化劑，促進(jìn)氫氣的氧化反應(yīng)。同時(shí)，鑭還可用于改性其他貴金屬催化劑（如鉑），提高其抗CO中毒能力和穩(wěn)定性。

鈰（Ce）：CeO?在燃料電池催化劑中同樣扮演著重要角色。其優(yōu)異的氧化還原性能和儲(chǔ)氧能力使得CeO?成為許多催化劑的活性組分或載體。在PEMFC中，CeO?可用于改善催化劑的分散性和穩(wěn)定性，提高電池的電化學(xué)性能。

鐠（Pr）和釹（Nd）：鐠和釹也常被用于燃料電池催化劑的改性。通過(guò)摻雜鐠或釹元素，可以改善催化劑的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，從而提高其催化活性和穩(wěn)定性。例如，鐠摻雜的BaFeO?-δ鈣鈦礦材料在SOFC中展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

鐠元素圖片

四、稀土元素在燃料電池其他組件中的應(yīng)用

鋱（Tb）：鋱作為燃料電池的穩(wěn)定劑，主要用于提高電極材料的穩(wěn)定性和防止氧化、腐蝕等現(xiàn)象。通過(guò)摻雜鋱離子或添加鋱化合物，可以增強(qiáng)電極材料的耐久性和電化學(xué)性能，從而延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命。

鏑（Dy）：盡管鏑在燃料電池中的直接應(yīng)用較少，但其與其他稀土元素一起被用于生產(chǎn)高效能量轉(zhuǎn)換的光伏薄膜。這些薄膜在太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，為燃料電池系統(tǒng)提供了更為穩(wěn)定和可靠的電力來(lái)源。

隨著燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，稀土元素在其中的應(yīng)用也在不斷創(chuàng)新。例如，研究人員正在探索將稀土元素與其他納米材料（如碳納米管、石墨烯等）結(jié)合，以制備具有更高性能和穩(wěn)定性的燃料電池電極和催化劑。此外，稀土元素在燃料電池的電解質(zhì)改性、熱管理以及系統(tǒng)集成等方面也展現(xiàn)出巨大的潛力。

燃料電池圖片

30.1 鑭元素在燃料電池中的應(yīng)用

一、鑭元素的基本介紹

鑭（Lanthanum），化學(xué)符號(hào)為L(zhǎng)a，原子序數(shù)為57，是一種金屬稀土元素。其名稱來(lái)源于希臘文“l(fā)anthanein”，意為“隱蔽的”，這反映了早期科學(xué)家在稀土元素研究中遇到的挑戰(zhàn)和復(fù)雜性。鑭在地殼中的含量雖然不高，僅為0.00183%，但在稀土元素中含量?jī)H次于鈰，是稀土元素家族中的重要成員。

鑭是一種銀白色金屬，具有銀灰色光澤，質(zhì)地較軟，可以用刀切割。其密度為6.162g/cm3，熔點(diǎn)為920℃，沸點(diǎn)為3464℃（常壓）。鑭的化學(xué)性質(zhì)活潑，暴露于空氣中會(huì)迅速失去金屬光澤，生成一層藍(lán)色的氧化膜，隨后進(jìn)一步氧化生成白色的氧化物粉末。鑭能與冷水緩慢作用，易溶于酸，并能與多種非金屬反應(yīng)。由于其活潑性，金屬鑭一般保存在礦物油或稀有氣體中以防止氧化。

鑭元素圖片

鑭有三種晶型，分別是α型（六方晶系）、β型（面心立方堆積，350℃穩(wěn)定存在）和γ型（>868℃穩(wěn)定存在）。

鑭元素在燃料電池、電子技術(shù)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)、儲(chǔ)氫合金等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

在燃料電池中，鑭元素主要作為陽(yáng)極催化劑或電解質(zhì)材料使用，對(duì)提升燃料電池的性能和穩(wěn)定性具有重要作用。

金屬鑭圖片

在電子技術(shù)領(lǐng)域有重要應(yīng)用。鑭元素被用作電池正極材料，特別是鑭鎳氫電池和鑭鈷氧電池。這些電池具有高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此外，鑭元素還被用作電視和顯示器的磷光粉，提供紅色和粉紅色的熒光效果。

在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，鑭元素被用作廢水處理劑，可以有效去除重金屬離子和其他有害物質(zhì)。鑭元素及其化合物能夠與廢水中的有害物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成不溶性的沉淀物或絡(luò)合物，從而將其從廢水中去除。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，鑭元素可用于某些放射性核素的治療、胃腸道的對(duì)比劑以及某些藥物的輔助添加劑等。雖然關(guān)于鑭元素生物特性的研究仍處于初級(jí)階段，但其潛在的應(yīng)用前景已經(jīng)引起了醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。

在儲(chǔ)氫合金領(lǐng)域，鑭元素是重要的原料。以LaNi5為代表的稀土系儲(chǔ)氫合金被認(rèn)為是所有儲(chǔ)氫合金中應(yīng)用性能最好的一類。這些合金能夠可逆地吸放大量氫氣，具有高密度、高容量和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，在氫能源汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

鑭元素圖片

二、鑭元素在燃料電池中的作用

燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有高效、環(huán)保、低噪音等優(yōu)點(diǎn)。固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是其中一種重要的類型，它能夠在中高溫下工作，將氫氣或碳?xì)淙剂吓c氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。鑭元素主要作為燃料電池的陽(yáng)極催化劑或電解質(zhì)材料使用。

陽(yáng)極催化劑：鑭元素在燃料電池中被用作陽(yáng)極催化劑，特別是在固體氧化物燃料電池中。陽(yáng)極催化劑是燃料電池中的關(guān)鍵部件之一，它能夠促進(jìn)燃料（如氫氣）在陽(yáng)極表面的氧化反應(yīng)，從而提高燃料電池的效率和穩(wěn)定性。鑭元素及其化合物作為陽(yáng)極催化劑，能夠增加燃料電池的活性位點(diǎn)，降低反應(yīng)活化能，使燃料更高效地轉(zhuǎn)化為電能。

電解質(zhì)材料：除了作為陽(yáng)極催化劑外，鑭元素還被用作燃料電池的電解質(zhì)材料。電解質(zhì)是燃料電池中的另一個(gè)關(guān)鍵部件，它位于陽(yáng)極和陰極之間，負(fù)責(zé)傳導(dǎo)離子并隔離燃料和氧化劑。磷灰石型鑭硅化合物在中低溫下顯示出較高的電導(dǎo)率，因此被用作固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料。使用磷灰石型鑭硅化合物作為電解質(zhì)材料，可以有效提高燃料電池的轉(zhuǎn)化效率、降低工作溫度并解決因高溫而帶來(lái)的電池部件連接、封裝等問(wèn)題。

燃料電池圖片

30.2 鈰元素在燃料電池中的應(yīng)用

30.3 鐠元素在燃料電池中的應(yīng)用

30.4 釹元素在燃料電池中的應(yīng)用

30.5 銪元素在燃料電池中的應(yīng)用

銪是一種稀土金屬元素，位于元素周期表的鑭系中，具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí)分布。在自然界中，銪主要以氧化物的形式存在，如氧化銪（Eu?O?）。銪具有優(yōu)良的發(fā)光性能和磁性，因此在光電材料、磁性材料等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。然而，在燃料電池領(lǐng)域，銪的應(yīng)用相對(duì)較為新穎，但其潛力不容忽視。

銪元素圖片

銪元素在燃料電池中的有什么作用？

（1）電解質(zhì)材料的改性

電解質(zhì)是燃料電池中的關(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)傳導(dǎo)離子并阻止電子的直接通過(guò)。銪的摻入可以顯著改善電解質(zhì)的性能。一方面，銪的摻雜可以改變電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化離子傳輸通道，從而提高離子電導(dǎo)率。這對(duì)于提高燃料電池的功率密度和效率至關(guān)重要。另一方面，銪的摻雜還可能增強(qiáng)電解質(zhì)的穩(wěn)定性，減少在高溫或高濕度等惡劣環(huán)境下的性能衰退。

近年來(lái)，研究人員對(duì)銪摻雜的電解質(zhì)材料進(jìn)行了廣泛研究。例如，有研究表明銪摻雜的氧化鈰基電解質(zhì)表現(xiàn)出更高的離子電導(dǎo)率和更好的穩(wěn)定性。通過(guò)優(yōu)化摻雜量和摻雜方式，可以進(jìn)一步提高電解質(zhì)的性能并降低生產(chǎn)成本。此外，還有研究探索了銪與其他稀土元素共摻的效果，發(fā)現(xiàn)共摻可以進(jìn)一步優(yōu)化電解質(zhì)的性能并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

氧化銪圖片

（2）催化劑的輔助作用

催化劑在燃料電池中起著加速電極反應(yīng)速率的作用。雖然銪本身作為催化劑的活性可能不如鉑、鈀等貴金屬，但其在催化劑體系中的輔助作用不容忽視。例如，銪可以與其他金屬元素形成復(fù)合催化劑，通過(guò)協(xié)同效應(yīng)提高催化劑的整體性能。此外，銪的摻雜還可能影響催化劑的表面結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)，從而優(yōu)化催化劑對(duì)反應(yīng)物的吸附和活化能力。

（3）電池結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)化

除了直接作為電解質(zhì)或催化劑成分外，銪還可以通過(guò)影響燃料電池的整體結(jié)構(gòu)和性能來(lái)發(fā)揮作用。例如，在固體氧化物燃料電池（SOFC）中，銪的摻入可能改變電解質(zhì)與電極之間的界面結(jié)構(gòu)，促進(jìn)界面反應(yīng)的進(jìn)行。此外，銪的摻雜還可能影響電池的密封性能和熱管理性能，從而提高電池的穩(wěn)定性和可靠性。

銪元素圖片

隨著燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步以及全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮脑黾樱B在燃料電池中的應(yīng)用前景將更加廣闊。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面：

技術(shù)創(chuàng)新與材料研發(fā)：通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和材料研發(fā)不斷提高銪基材料的性能穩(wěn)定性和制備工藝效率降低生產(chǎn)成本和能耗。同時(shí)探索新的銪基復(fù)合材料和應(yīng)用領(lǐng)域拓展其在燃料電池中的應(yīng)用范圍。

系統(tǒng)集成與優(yōu)化：將銪基材料與其他燃料電池組件進(jìn)行系統(tǒng)集成和優(yōu)化設(shè)計(jì)提高燃料電池系統(tǒng)的整體性能和可靠性。通過(guò)優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)、提高能量密度和功率密度等方式進(jìn)一步提升燃料電池的競(jìng)爭(zhēng)力。

政策支持與市場(chǎng)推廣：政府應(yīng)出臺(tái)相關(guān)政策支持燃料電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣包括提供財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等政策措施。同時(shí)加強(qiáng)市場(chǎng)推廣和宣傳教育力度提高公眾對(duì)燃料電池技術(shù)的認(rèn)識(shí)和接受度。

資源回收利用：加強(qiáng)銪資源的回收利用技術(shù)研究提高資源利用率和回收率。通過(guò)建立完善的回收體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)銪資源的循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。