氧化铋基中温固体氧化物燃料电池电解质的合成及性能研究

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接通过具有离子导电性的电解质薄膜的电化学反应将燃料化学能转化为电能的装置。它具有能量转换率高、无噪音和污染、原料可以连续供给、全固态结构等优点,被誉为21世纪的绿色能源,是当前发展最快的能源技术之一,已经成为当今科研领域的研究热点。
　　目前固体氧化物料电池都主要是在较高的温度下工作,这大大限制其进一步的应用,为了实现SOFC的中低温化,寻找能在中低温工作的电解质材料是必然趋势。而具有立方萤石结构的δ-Bi2O3在中温下具有最高的离子电导率。
　　本课题主要探讨了Bi2O3基中温SOFC电解质材料的制备和性能研究。为制备出性能良好、相结构稳定的中温SOFC电解质材料,做了以下工作:
　　研究化学共沉淀法制备Y2O3,La2O3,SrO,CaO四种掺杂物质改性Bi2O3前驱粉体,并通过煅烧制备相应的掺杂改性Bi2O3基固溶体;制备掺杂摩尔浓度分别为18mol％、21mol%、29mol%和33mol%的Y2O3掺杂改性的Bi2O3基固溶体;利用X-射线衍射、扫描电子显微镜、综合热分析等分析测试手段对产物进行了表征,并对可能的反应机理进行了分析;通过电化学阻抗法测试对Y2O3和La2O3掺杂的Bi2O3基体的在中温条件下(500～700℃)导电性能进行表征,并对两种电解质的导电机理和微观结构进行分析;尝试制备YSZ和掺杂Bi2O3的核壳型复合粉体。
　　各项测试结果表明:利用化学共沉淀法可制备出掺杂改性的Bi2O3基超细电解质粉体,掺杂25mol%～33mol%的Y2O3能将Bi2O3稳定为电导率较高的面心立方δ相;掺杂25mol%的La2O3能将稳定在菱方相;Y2O3掺杂Bi2O3和La2O3掺杂的Bi2O3均以晶粒电导为主,且电导率比该温度下的YSZ高1～2个数量级;Y2O3掺杂Bi2O3电解质基片在低温和较高温度下的导电机制不同,La2O3掺杂的Bi2O3电解质基片在测试温度范围内导电机制大致相同;CTAB模板法可能制备出YSZ和掺杂Bi2O3的核壳型复合粉体。

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1 绪 论

1.1 燃料电池简介

1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）概述

1.3 固体氧化物燃料电池（SOFC）的电解质材料

1.4 Bi2O3基电解质材料

1.5 电解质超细粉体材料的制备方法

1.6 本课题的提出

2 掺杂氧化物种类对电解质相结构的影响

2.1 前言

2.2 不同掺杂相氧化铋基电解质粉体的制备及研究方法

2.3 粉体性能表征结果和分析

2.4 结果与讨论

2.5 本章小节

3 掺杂氧化物含量对电解质相结构的影响

3.1 前言

3.2 不同含量氧化钇掺杂氧化铋基电解质粉体的制备

3.3 粉体性能表征

3.4 结果与讨论

3.5 本章小节

4 电解质导电性能测试和分析

4.1 前言

4.2 电解质基片的制备

4.3 电解质基片性能表征结果和分析

4.4 结果与讨论

4.5 本章小节

5 掺杂ZrO2-掺杂Bi2O3包覆复合粉体的制备

5.1 前言

5.2 复合粉体的制备

5.3 粉体性能表征结果与分析

5.4 结果与讨论

5.5 本章小节

6 全文总结

6.1 主要结论

6.2 进一步工作

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表的论文目录