中温固体燃料电池电解质材料的制备和电化学性能表征

摘要

燃料电池是举世公认的绿色能源技术之一。目前，中温(150-400℃)固态燃料电池是燃料电池技术研发的最活跃领域之一。中温固态燃料电池兼具高温固态氧化物燃料电池和低温质子交换膜燃料电池的优点，同时摈弃了他们的某些缺点。工作温度在150-400℃间的燃料电池一方面能大幅提高贵金属催化剂的一氧化碳耐受能力(从80℃的10-20ppm到200℃的3000ppm)，另一方面使采用金属、合成树脂等作为电池(堆)的连接和密封材料成为可能，从而降低电池的成本，延长其使用寿命。因此，中温固态燃料电池越来越受到人们的重视。而发展中温燃料电池的关键则是探索能够在150-400℃温度范围内工作的电解质材料。 本论文工作紧紧围绕这一主题展开，研究聚磷酸铵基质子电解质和焦磷酸锡的电化学性能，探索这些电解质在中温燃料电池中应用的可行性，并研究这类电解质的质子传导机理。 论文第一章介绍了燃料电池的工作原理和发展中温固态燃料电池的重要性，综述了中温质子导体(电解质)和电极材料的研究现状。 论文第二章就选择的材料制备和性能评价方法进行详细的介绍，制备粉体方法是溶胶-凝胶法和固相反应法，表征方法有交流阻抗谱技术及X射线衍射(XRD)技术、扫描电子显微(SEM)技术等。 论文第三章用溶胶凝胶法制备了复合固体电解质xNH<,4>PO<,3>-SiO<,2>(x=1，2，4)，并研究了该电解质在125℃-250℃范围内的导电性能。复合电解质的相结构分析表明，NH<,4>PO<,3>和SiO<,2>在溶胶凝胶法制备过程中没有发生化学反应；复合电解质的电导率随着NH<,4>PO<,3>含量增大而提高，并与NH<,4>PO<,3>的形态相关。电导活化能随NH<,4>PO<,3>含量的上升而下降，表明在Sol-gel法制备的复合电解质中，起电导作用的主要是NH<,4>PO<,3>，而SiO<,2>主要起支撑作用；另外SiO<,2>比表面积对电导率的影响不大，表明在这种复合质子导体中，基本上不存在电导的界面增强效应；电导率随着环境气氛中含水量的提高而提高，说明水在传导过程中起着重要作用。根据上述现象还提出了复合电解质的导电机理。 论文第四章用固相反应法制备了不同P/Sn摩尔比的SnP<,2>O<,7>，P/Sn摩尔比分别为2.0,2.2，2.4，2.6，2.8和3.0，并研究了该电解质在120℃-260℃范围内的导电性能。XRD分析表明SnP<,2>O<,7>为立方相结构。热重分析了电解质在中温范围内的稳定性。用交流阻抗谱测量了电解质电导率，电导率随着HPO<,3>在电解质的残余量的提高而提高，测试结果表明电解质中起导电作用的主要是HPO<,3>，而SnP<,2>O<,7>主要起支撑作用。最大电导率是在200℃，P/Sn比为3.0时，干空气条件为5.1×10<'-2> Scm<'-1>，湿空气条件下为6.6×10<'-2> Scm<'-1>。 论文第五章总结了本论文工作的主要结论和下一步可继续的工作方向。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

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致谢

第一章绪论

1.1燃料电池简介

1.1.1燃料电池的发展历史

1.1.2燃料电池的工作原理

1.1.3燃料电池理论电动势

1.1.4燃料电池的组成及分类

1.1.5燃料电池的优缺点

1.2开发中温(150-400℃)固体燃料电池的意义

1.2.1发展中温固体燃料电池的优点

1.2.2中温燃料电池电解质材料研究现状

1.3本论文研究的内容

第二章实验方法

2.1粉体制备方法

2.1.1溶胶-凝胶(sol-gel)法

2.1.2固相反应法

2.2测试与表征方法

2.2.1交流阻抗谱技术

2.2.2显微结构表征

2.2.3 比表面积表征

2.2.4热重分析

2.3实验仪器和设备

第三章NH4PO3-SiO2复合电解质的溶胶凝胶法制备和电性能

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1原料

3.2.2样品的制备

3.2.3样品的测试

3.3结果与讨论

3.3.1复合电解质的化学稳定性

3.3.2复合电解质的导电性能

3.3.3水蒸气量对电导率的影响

3.3.4SiO2比表面积对电导率的影响

3.3.5可能的传导机制

3.4电池性能测试

3.4.1电极的制备

3.4.2电池测试

3.5本章小结

第四章SnP2O7固体电解质的制备和导电性能

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1原料

4.2.2样品的制备

4.2.3样品的测试

4.3结果与讨论

4.3.1稳定性分析

4.3.2相分析

4.3.3导电性分析

4.3.4可能的传导机制

4.4本章小结

第五章全文结论

参考文献

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