中温固体氧化物燃料电池新型电解质和阳极材料的制备与表征

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)采用离子导体陶瓷作电解质,具有结构稳定可靠,燃料可选范围广等优点.传统的SOFC采用Zro<,2>基陶瓷材料(尤其8mol﹪Y<,2>o,,3>稳定Zro<,2>,YSZ)作电解质.但是Zro<,2>陶瓷烧结温度高,且由于YSZ电解质电导率的限制,电池必须在较高的温度(>800℃)下工作,从而限制了SOFC的实用化.因此,开发中温范围内具有高氧离子导电性的电解质材料并降低制造成本是当前SOFC的研究热点之一.本论文通过固相反应法制备了Sm<,2>o<,3>、La<,2>O<,3>、CeO<,2>及Y<,2>O<,3>等复合掺杂ZrO<,2>粉体,并对其烧结行为和烧结体的组织性能进行研究;对用不同量的Sm<,2>O<,3>和Y<,2>O<,3>掺杂的ZrO<,2>陶瓷的力学性能和中温下的电导率做了分析和比较. 有关复合掺杂ZrO<,2>基电解质的研究结果表明,不同稀土氧化物掺杂ZrO<,2>成形压坯的烧结收缩率不同,Sm<,2>O<,3>、Y<,2>O<,3>共掺杂ZrO<,2>烧结收缩率最大,1500℃温度下烧结收缩率可达26.20﹪,烧结体密度最高,1500℃下烧结密度可达5.964g/cm<'3>.与一般ZrO<,2>陶瓷烧结温度(1600℃)相比,降低了100℃.随着烧结温度的升高稀土氧化物复合掺杂ZrO<,2>的密度增大,烧结温度由1450℃至1500℃,烧结体密度增幅较大,由1500℃至1550℃时,增幅则较小.SEM观察表明,Sm<,2>O<,3>、CeO<,2>与Y<,2>O<,3>的共掺杂有助于ZrO<,2>烧结表面致密化.0.5﹪molSm<,2>O<,3>与3﹪Y<,2>O<,3>掺杂的ZrO<,2>在1550℃保温4h烧结所得烧结体硬度为90.5HRA,抗弯强度为868MPa.烧结体的电导率有明显改善,800℃下电导率可达到0.02S/cm,电导活化能为1.012ev;Sm203超过1﹪时,ZrO<,2>陶瓷的力学性能降低,但电导率明显增大,1﹪Sm<,2>O<,3>和3﹪Y<,2>O<,3>的掺杂ZrO<,2>在800℃下测得的电导率可达0.026S/cm. 另一方面,随着SOFC操作温度的降低,电极材料的特性,特别是电极与电解质的界面特性对电池性能的影响也更为明显.因为随着运行温度的降低,界面电阻明显增加,所以高性能的电极材料的研制也成为当前中温SOFC研究的热点之一.

目录

文摘

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致谢

第一章绪论

1.1固体氧化物燃料电池的概述

1.1.1燃料电池

1.1.2固体氧化物燃料电池

1.1.3固体氧化物燃料电池的中低温化趋势

1.2二氧化锆(ZrO2)在固体氧化物燃料电池中的应用

1.2.1 ZrO2的结构和性能

1.2.2掺杂ZrO2固体电解质

1.2.3掺杂ZrO2固体电解质材料的制备方法

1.3 SOFC中的阳极材料

1.3.1 SOFC阳极材料的研究现状

1.3.2阳极的导电机理

1.3.3阳极的组成和微结构

1.3.4阳极材料的制备方法

1.4本课题研究的主要内容及其意义

第二章材料制备及性能测试方法

2.1 SOFC关键材料的制备方法

2.1.1固相反应法

2.1.2凝胶浇注法

2.2实验原料及设备

2.2.1实验主要原料

2.2.2主要仪器设备

2.3材料的性能表征

2.3.1粉体的性能表征

2.3.2烧结体的性能表征

第三章多元稀土氧化物复合掺杂ZrO2材料的制备及表征

3.1引言

3.2实验过程

3.3结果与讨论

3.3.1 Y2O3-ZrO2粉体的粒度

3.3.2生坯尺寸及其烧结收缩率

3.3.3不同稀土氧化物复合掺杂ZrO2的密度

3.3.4不同稀土氧化物复合掺杂ZrO2烧结体的显微结构

3.4本章小结

第四章掺杂Sm2O3对Y-TZP陶瓷烧结行为和性能的影响

4.1引言

4.2实验过程

4.3结果与讨论

4.3.1烧结体的相组成

4.3.2烧结体的显微结构

4.3.3烧结体的力学性能

4.3.4烧结体的电导率

4.4本章小结

第五章凝胶浇注法制备Ce0.8-xSm0.2TixO2-y(x=0-0.15)材料

5.1引言

5.2实验过程

5.3结果与分析

5.3.1 Ce0.8-xSm0.2TixO2-y(x=0-0.15)粉体的XRD图谱和微观形貌

5.3.2 Ce0.8-xSm0.2TixO2-y(x=0-0.15)烧结体的相对密度和显微结构

5.3.3 Ce0.8-xSm0.2TixO2-y(x=0-0.15)烧结体的电性能分析

5.4本章小结

第六章Ni/Ce0.7Sm0.2Ti0.1O1.9多孔阳极的制备与性能表征

6.1引言

6.2实验过程

6.3结果与讨论

6.3.1粉体和烧结体的相结构分析

6.3.2 Ce0.7Sm0.2Ti0.1O1.9粉体的TEM分析

6.3.3 NiO(Ni)/Ce0.7Sm0.2Ti0.1O1.9材料的孔隙率和显微结构

6.3.4 Ni/Ce0.7Sm0.2Ti0.1O1.9阳极电导率的测试

6.3.5单电池开路电压的分析

6.4本章小结

第七章全文结论

参考文献

硕士期间发表论文