中温固体氧化物燃料电池双掺杂CeO基电解质材料的研究

摘要

该工作选取柠檬酸盐络合法(湿化学反应法)制备CeO<,2>基电解质材料,考察制备条件、掺杂离子的半径和浓度等因素对材料性质和电导率等性能的影响.运用多种表征手段包括XRD、低温氮吸附、粒子大小和分布、高分辨SEM等,对材料的性质如BET比表面积、平均粒子大小、平均晶粒大小、晶胞参数、烧结密度、晶相等,进行了测量和表征.获得了在研究范围内的电解质材料最佳制备条件;在最佳制备条件下研究了掺杂离子半径和浓度对电解质材料性质和电导率影响的基本规律;在证实了CeO<,2>基的电解质材料中的Ce<'4+>易还原成Ce<'3+>而导致电子电导增加是其电导率下降的一个原因外,还发现了CeO<,2>基的电解质材料在高温下烧结时会发生相分离和在还原气氛下电解质材料会发生表面结构形貌的变化等问题也会对电解质材料的电性能产生很大的影响.通过对双掺杂CeO<'2>基电解质材料存在问题的研究,目的是要寻求解决这些问题的途径.该论文研究的主要结果如下:1.制备条件对电解质材料性质及电导率的影响对柠檬酸用量、成胶温度、焙烧温度和升温速率等四个制备参数进行了考察.2.掺杂元素组成及其离子半径对材料性质和电导率的影响对掺杂碱土金属元素及其离子半径和稀土金属元素及其离子半径的影响进行了考察.3.CeO<,2>基电解质材料用作中温SOFC电解质时存在的问题对电解质材料还原前后的电导率以及再氧化处理后的电解质材料电导率的比较研究发现,在300-500℃温度范围内,还原气氛下的电导率高于空气气氛下的电导率;在500-700℃温度范围内,还原气氛下的电导率低于空气气氛下的电导率;电解质材料在还原气氛下使用后再在700℃空气气氛下氧化处理4h、8h和12h后,电解质材料的电导率未发生变化,这说明在还原气氛下导致电解质材料电导率下降的原因除Ce<'4+>被还原成Ce<'3+>时产生电子电导外,应该还有其它原因.

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

第一节燃料电池的概述

1.1.1燃料电池的原理

1.1.2燃料电池的优、缺点

1.1.3燃料电池的发展状况

第二节固体氧化物燃料电池

1.2.1固体氧化物燃料电池的原理

1.2.2固体氧化物燃料电池的特点

1.2.3固体氧化物燃料电池的材料及组装

1.2.4固体氧化物燃料电池的研究方向

第三节中温固体氧化物燃料电池及其电解质材料

1.3.1电解质材料的构型和导电原理

1.3.2 ZrO2基电解质材料

1.3.3 CeO2基SOFC的电解质材料

1.3.4 Bi2O3基电解质材料

1.3.5钙钛矿类电解质材料

1.3.6影响几种电解质材料电导的因素

第四节研究内容目的和意义

参考文献

第二章中温SOFC电解质材料的制备、表征及其电导率的测量

第一节引言

第二节中温SOFC电解质材料的制备

2.2.1粉体材料的制备

2.2.2电解质片的成型和烧结

第三节中温SOFC电解质材料的表征

2.3.1 X射线衍射

2.3.2全吸附

2.3.3粉体材料粒径大小和分布

2.3.4粉体材料的热失重分析和差热分析

2.3.5电解质材料的形貌观察

2.3.6电解质材料致密性的测定

第四节中温SOFC电解质材料电导率的测量

参考文献

第三章制备条件对双掺杂CeO2基电解质材料性质及电导率的影响

第一节引言

第二节实验结果与讨论

3.2.1柠檬酸用量对粉体材料性质及电解质材料电导率的影响

3.2.2成胶温度对粉体材料性质及电解质材料电导率的影响

3.2.3焙烧温度对粉体材料性质及电解质材料电导率的影响

3.3.4焙烧升温速率对粉体材料性质及电解质材料电导率的影响

第三节小结

参考文献

第四章掺杂元素的离子半径和组成对双掺杂CeO2基电解质材料性质及电导率的影响

第一节引言

4.1.1几种典型的CeO2的电解质材料

4.1.2 CeO2基电解质材料的制作工艺

4.1.3影响稀土复合氧化物电导的因素

第二节实验结果与讨论

4.2.1碱土金属离子半径对电解质材料性质及电导率的影响

4.2.2稀土离子半径对粉体材料性质及电解质材料电导率的影响

4.2.3掺杂元素的组成对粉体材料的性质及电解质材料电导率的影响

第四节小结

参考文献

第五章双掺杂CeO2基材料用作中温SOFC电解质材料时存在的问题

第一节引言

第二节电解质材料还原前后电导率的比较及再氧化处理对电解质材料电导率的影响

5.2.1电解质材料还原前后电导率的比较

5.2.2再氧化处理对电解质材料电导率的影响

第三节CeO2基电解质材料用在中温SOFC中存在的问题

5.3.1普通扫描下的XRD表征

5.3.2阶梯扫描下的XRD表征

5.3.3电解质材料还原前后形貌的变化

5.3.4电子能谱

第四节小结

参考文献

第六章全文总结

论文发表情况

致谢