中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)及相關(guān)材料和性能的研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具有高能量轉(zhuǎn)換效率、全固態(tài)結(jié)構(gòu)、無污染和多種燃料氣體適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。作為SOFC的核心部件，電解質(zhì)材料一直研究的熱點(diǎn)。本論文在第一章介紹了SOFC的基本原理，目前國內(nèi)外的研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，著重綜述了SOFC電解質(zhì)材料的研究動(dòng)態(tài)。第三章對BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb)這一新材料進(jìn)行了優(yōu)

2、化，得到了迄今為止BZCYYb最高的電導(dǎo)率；并且首次測試并計(jì)算了其理論密度，首次研究了其燒結(jié)性能，增加了對這一新型材料的認(rèn)識，為其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，填補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)和理論空白(第四章)。本文在第五章又對新型電解質(zhì)材料NASICON(Na+Super IonicConductor)材料及其在燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，另外還對橄欖石型和石榴石型鋰離子導(dǎo)體材料進(jìn)行了探討。
　　 所取得的主要成果和創(chuàng)新點(diǎn)可歸納如下：

3、　　 (1)采用固相反應(yīng)法成功合成了不同Y/Yb比的BZCYYb，X射線譜圖顯示，所有的粉末都具有與BaCeO3相類似的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)；當(dāng)Yb的量為10％，其電導(dǎo)率最高。以微米級CeO2和納米級ZrO2為前驅(qū)體、焙燒兩次、焙燒溫度為1100℃時(shí)固相反應(yīng)法制備的BZCYYb粉體晶體結(jié)構(gòu)中無明顯雜相，燒結(jié)出來的片體致密，且電導(dǎo)率為最高。
　　 (2)首次對BZCYYb材料的的理論密度進(jìn)行了測試和計(jì)算，約為6.211g·cm-3。

4、>　　 (3)燒結(jié)性能方面，在高溫固相合成法制備的BZCYYb粉體中加入少量(質(zhì)量百分比1％，1wt％)NiO有助于其燒結(jié)過程中的晶粒長大和致密度增加，即提高燒結(jié)性能，優(yōu)于LiF和Al2O3等其他燒結(jié)助劑。1wt％NiO的加入，可以有效降低BZCYYb的燒結(jié)溫度約200℃，并且不會(huì)影響其電導(dǎo)率，另外，以其為電解質(zhì)做成的電池在燃料電池測試條件下的開路電壓高且能夠滿足燃料電池使用的需要。首次創(chuàng)新性的以1wt％NiO為燒結(jié)助劑，成功采用固相

5、反應(yīng)燒結(jié)法合成了BZCYYb片體，電導(dǎo)率與用普通固相反應(yīng)法合成片體的電導(dǎo)率相接近。
　　 (4)采用高溫固相法成功合成了Na5GdSi4O12(NGS)粉體，其在1060℃下空氣中燒結(jié)3小時(shí)燒結(jié)的片體致密，電導(dǎo)率與文獻(xiàn)報(bào)道的相當(dāng)。并首次將其用做燃料電池的電解質(zhì)，實(shí)驗(yàn)表明，其開路電壓較高，1.2mm厚的電解質(zhì)片做成電池后，其功率密度在500℃下的達(dá)到0.5mW/cm2。另外，將其進(jìn)行鋰離子交換后，其結(jié)構(gòu)有所變化，并且有向非晶態(tài)轉(zhuǎn)化

6、的趨勢。其電導(dǎo)率大幅降低，且活化能大幅增加。
　　 (5)采用高溫固相法成功合成了橄欖石型結(jié)構(gòu)LiInGeO4和LiIn1-xMxGeO4(M=Ti4+，Zr4+和Nb5+，x=0.1～0.2)粉體，X射線衍射譜圖表明，當(dāng)不摻雜和摻雜元素為Zr+，x=0.1時(shí)，可以得到純相，而當(dāng)摻雜元素為Ti4+和Nb5+時(shí)，均不能得到純相。LiInGeO4和Li0.9In0.9Zr0.1GeO4粉體燒結(jié)后的片體的電導(dǎo)率均較低。采用高溫固相法合