氧化铈基中温固体氧化物燃料电池电解质与电极材料研究

论文摘要

采用柠檬酸-硝酸盐燃烧法合成了几种中温固体氧化物燃料电池电解质和电极材料所需的粉体,并测试了其中几种作为电解质和电极的燃料电池的输出性能,为进一步研究开发燃料电池打下基础。（1）分别以柠檬酸与相应的硝酸盐作为络合剂及原料,加入去离子水配制成溶液,并用氨水调节溶液的pH值,通过溶胶-凝胶转变制得非晶态干凝胶。将干凝胶在空气气氛下加热至200-300℃即发生自蔓延燃烧现象,燃烧后得到的初粉再经一定温度（900℃）下焙烧,形成目标粉体。通过以上工艺路线分别制备了电解质（CeO2）0.8-x(GdO1.5)x(SmO1.5)0.2（x=0-0.3）,阴极La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3、La0.8Sr0.2Mn0.8Co0.2O3、Sm0.5Sr0.5CoO3和阳极NiO/Ce0.8Gd0.2O1.9（两相复合）的纳米粉。（2）通过DTA-TG、XRD、TEM和EDS等测试手段对所获粉体进行了观察和表征。结果表明,发生自燃烧后的电解质初粉为单相萤石结构,晶粒尺寸为16-28nm,成分分布均匀,无需焙烧即可使用;三种阴极初粉经900℃焙烧后形成单相钙钛矿氧化物,晶粒尺寸为15-20nm,成分分布均匀;阳极粉为NiO和Ce0.8Gd0.2O1.9的两相复合,成分分布均匀,Ni为18-25nm,Ce0.8Gd0.2O1.9为13-15nm。分析了柠檬酸与金属离子的摩尔比对工艺和产物的影响,结论是该摩尔比对于合成电解质和电极材料都是至关重要的,根据具体情况合理选择摩尔比可以获得成分分布均匀的单相纳米粉。（3）研究了所制备的各种粉体作为燃料电池电解质和电极材料的性能。用干压法将所合成的粉体制成Φ13mm的电池片,组装成单体氢-氧燃料电池,测试其输出性能。结果表明,以铂为电极,电解质为（CeO2）0.6(GdO1.5)0.2(SmO1.5)0.2的电性能较好,燃料电池在500℃下工作,最大功率密度可达250mW/cm2;若以Ce0.8Gd0.2O1.9为电解质,NiO/Ce0.8Gd0.2O1.9为阳极,分别以几种钙钛矿氧化物为阴极,则以La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3为阴极的燃料电池性能较好,电池在650℃下工作,最大功率密度可达230mW/cm2。

论文目录

• 第一章 概述
• 1.1 燃料电池
• 1.2 固体氧化物燃料电池
• 1.2.1 固体氧化物燃料电池技术发展简述
• 1.2.2 固体氧化物燃料电池组元材料及制备
• 1.2.3 固体氧化物燃料电池堆
• 1.3 中温固体氧化物燃料电池用电解质与电极材料
• 1.3.1 氧化铈基材料
• 1.3.2 钙钛矿型电解质材料
• 1.3.3 阳极材料
• 1.3.4 阴极材料
• 1.4 本文的工作
• 参考文献
• 第二章 柠檬酸-硝酸盐燃烧合成掺杂氧化铈固溶体纳米粉
• 2.1 引言
• 2.1.1 溶胶-凝胶法
• 2.1.2 柠檬酸-硝酸盐燃烧合成法
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 所用的原料
• 2.2.2 粉体的合成工艺
• 2.2.3 所采用的测试方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PH 值对溶胶-凝胶体系转变过程的影响
• 2.3.2 溶液浓度及水浴温度对凝胶化时间的影响
• 2.3.3 柠檬酸与金属离子的摩尔比对干凝胶燃烧反应的影响
• 2.3.4 所合成粉体的表征
• 2.3.5 钐、钆在氧化铈中的固溶度
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 柠檬酸-硝酸盐燃烧合成几种钙钛矿氧化物纳米粉
• 3.1 引言
• 3.1.1 中温固体氧化物燃料电池阴极材料
• 3.1.2 立方钙钛矿的晶体结构
• 3.2 粉体的制备
• 3.2.1 实验中所用的原料和仪器
• 3.2.2 制备工艺
• 3.2.3 对干凝胶制备工艺的讨论
• 3.3 粉体的表征
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 柠檬酸-硝酸盐燃烧制备氧化镍/电解质复合纳米粉
• 4.1 引言
• 4.1.1 固体氧化物燃料电池对阳极材料的要求
• 4.1.2 镍/YSZ 金属陶瓷阳极材料
• 4.1.3 M-氧化铈阳极材料
• 4.1.4 燃料电池阳极反应理论
• 4.1.5 本章的内容
• 4.2 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 MRCM 值对反应过程的影响
• 4.3.2 MRCM 值对所获产物粉体物相组成的影响
• 4.3.3 MRCM 值对所获产物粉体显微组织形貌的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 钐、钆双掺杂氧化铈基电解质的燃料电池性能
• 5.1 引言
• 5.1.1 固体氧化物燃料电池对电解质材料的要求
• 5.1.2 氧化铈基固体电解质材料
• 5.2 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 所制备电解质的热稳定性
• 5.3.2 燃料电池的开路电压-温度关系
• 5.3.3 燃料电池的I-V 特性
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 几种钙钛矿氧化物作为燃料电池阴极的性能
• 6.1 引言
• 6.1.1 固体氧化物燃料电池对阴极材料的要求
• 6.1.2 阴极在燃料电池中的作用
• 6.1.3 混合导电阴极材料
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 原料与仪器
• 6.2.2 电解质与阳极材料的制备
• 6.2.3 燃料电池
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 电解质材料
• 6.3.2 阳极材料
• 6.3.3 阴极材料与电解质组成的复合电极
• 6.3.4 阴极材料与电解质的反应
• 6.3.5 电池的组成及电性能测试
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 致谢
• 作者简历
• 攻博期间发表的论文
• 摘要
• ABSTRACT