新型中温固体氧化物燃料电池电解质材料的制备与性能研究

发布时间：2017-03-18 20:03

  本文关键词：新型中温固体氧化物燃料电池电解质材料的制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能量转换装置,具有能量转换效率高、对环境友好和操作简单等优点,在世界范围内得到了广泛关注和研究。传统的SOFC由于工作温度高(1000℃以上)带来诸多材料和技术问题,因此,降低其工作温度至中温范围(600-800℃)成为当前国际上SOFC发展的趋势。为实现中温化目的,主要有两条研究途径：其一是研究探索在中温条件下氧离子传导率高的新型固体电解质材料,其二是减小固体电解质的厚度,发展电极支撑的薄膜化电解质制备技术,以降低电池内阻,增大功率输出。本论文主要研究新型硅基电解质材料的制备工艺技术和元素掺杂对材料的离子导电性能的影响。论文通过溶胶凝胶法合成了新型硅基电解质材料Sri-xAxSiO3-δ(A=Na和Li;x=0.1,0.2,0.3,0.4)。通过差热-热重分析、X射线衍射分析、扫描电镜分析、交流阻抗谱技术等手段对材料的热分解过程、物相结构、微观形貌和烧结性能及离子导电率进行了表征。结果表明,相较于传统的固相反应法,采用溶胶凝胶法制备的电解质材料为单斜结构、粉体颗粒粒径小,大小均匀以及电导率高等优点,因此溶胶凝胶法是一种比较理想的合成硅基电解质材料的方法。在采用溶胶凝胶法合成电解质硅基粉体材料时,研究了溶液的pH值、用水量、反应温度对凝胶的影响,优化出制备凝胶的工艺条件为：pH=8、用水量为40m1、反应温度为40℃。通过对凝胶的热重分析确定了热处理工艺,首先以5℃/min的升温速率加热至600℃保温3h,然后再以10℃/min的升温速率加热至900℃保温3h,获得粉体材料,通过烧结工艺优化,确定将上述粉体材料经过冷压和900℃烧结,获得相对致密和性能良好的电解质片体。通过交流阻抗谱技术对电解质材料Sr1-xAxSiO3-δ(A=Na、Li;x=0.1,0.2,0.3,0.4)的电导率进行研究,结果表明,电解质材料Sr1-xAxSiO3-δ(A=Na、Li;x=0.1,0.2,0.3,0.4)的电导率随温度升高而增加,同时也随着x值增加而增加,而且相较于传统的固相反应法,通过溶胶-凝胶法合成的电解质Sr1-xNaxSiO3-δ(x=0.1,0.2,0.3,0.4)具有更高的电导率。当温度为700℃时,经溶胶-凝胶法制备的Sr0.6Na0.4SiO3-δ电导率可达3.25×10-2 S.cm-1,为固相反应法(1.42×10-2 S.cm-’)的2.3倍。而溶胶凝胶法制备的电解质Sr0.6Li0.4SiO3-δ电导率可达3.4×10-2S·cm-1。结果表明,中温条件下硅基电解质材料具有良好的离子导电率,使其成为极具发展前景的中温固体氧化物燃料电池电解质材料。
【关键词】：SOFC 溶胶凝胶法 Sr_(1-x)Na_xSiO_(3-δ) Sr_(1-x)Li_xSiO_(3-δ)
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 燃料电池简介11-12
• 1.2 固体氧化物燃料电池简介12-17
• 1.2.1 固体氧化物燃料电池的工作原理13-14
• 1.2.2 固体氧化物燃料电池的特点14-15
• 1.2.3 固体氧化物燃料电池构件15-17
• 1.3 固体氧化物燃料电池的主要电解质材料17-21
• 1.4 合成方法21
• 1.4.1 固相反应法(Solid State Reaction)21
• 1.4.2 溶胶-凝胶法(Sol-Gel Method)21
• 1.5 研究目的及主要内容21-23
• 第2章 实验方法与表征手段23-27
• 2.1 实验用品23-24
• 2.2 表征手段24-27
• 2.2.1 差热与失重分析24
• 2.2.2 物相分析24-25
• 2.2.3 形貌分析25
• 2.2.4 电导率测试25-27
• 第3章 硅基材料Sr_(1-x)Na_xSiO_(3-δ)的合成与表征27-43
• 3.1 引言27-28
• 3.2 实验28-32
• 3.2.1 固相法合成Sr_(1-x)Na_xSiO_(3-δ)粉体28-29
• 3.2.2 溶胶凝胶法合成Sr_(1-x)Na_xSiO_(3-δ)粉体29-30
• 3.2.3 烧结温度对材料性能的影响30-32
• 3.3 结果与分析32-41
• 3.3.1 溶胶凝胶法工艺优化32-35
• 3.3.2 物相分析35-37
• 3.3.3 形貌分析37-38
• 3.3.4 电性能分析38-41
• 3.4 结论41-43
• 第4章 硅基材料Sr_(1-x)Na_xSiO_(3-δ)粉体的合成与表征43-50
• 4.1 引言43
• 4.2 实验43-45
• 4.2.1 实验原料43-44
• 4.2.2 实验过程44-45
• 4.3 结果与分析45-49
• 4.3.1 物相分析45-46
• 4.3.2 形貌分析46-47
• 4.3.3 电导率分析47-49
• 4.4 结论49-50
• 第5章 总结50-51
• 参考文献51-54
• 致谢54-55
• 作者简介55

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