固体氧化物燃料电池的电解质纳米粉和薄膜制备方法研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是通过电化学反应,将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置。它具有清洁、高效、环境友好等诸多优点,近些年来备受关注。钇稳定的氧化锆（YSZ）,由于其特别优异的化学及热稳定性、力学性能,和几乎纯的氧离子导电性,而被广泛研究和应用。YSZ目前仍然是适用性最强、潜力最大的中高温（700-1000oC）固体氧化物燃料电池的电解质材料。改造YSZ,使之成为适于在中温条件下工作的SOFC电解质膜材料是当前降低成本,推动SOFC实用化的最有前途的重要技术方案之一。本文采用纳米粉体为原料,探索电解质的薄膜化方法,目的是降低成本,大幅度改善和提高YSZ电解质燃料电池的输出性能。本论文主要研究以下方面的内容:首先,引入多种纳米粉体合成方法,制备YSZ及NiO纳米晶。进行纳米晶的表征,研究反应机制。对纳米晶YSZ的性能,特别是最终电性能进行比较研究,获得规律性认识。其次,利用所合成的纳米粉体作原料,探索方法简便、成本低廉、成膜质量好、生产效率高的电极支撑型电解质成膜新方法。本论文发明了滤涂成膜工艺,提出了改进型的干压成膜工艺,并进一步制成单电池,研究了电池的输出性能。采用四种粉体制备方法,即均匀沉淀法,直接水热法,均匀水热法及甘氨酸-硝酸盐法（燃烧法）制备纳米晶YSZ。其中,均匀沉淀法,直接水热法及均匀水热法制得的纳米粒子呈弱团聚状态,粒径小,分散性好。通过对这三种方法制得的纳米粉体的粒径、组成、结构及烧结样品的电性能进行了比较研究。结果表明,三种方法获得的样品晶体尺寸为5-7 nm。拉曼光谱证实它们均以立方相为主,伴有少量的四方相。烧结曲线测试表明,温度高于570oC后的收缩情况基本相同;而570oC之前,两种水热样品呈现明显的收缩,这是由于两种水热样品含有较多的水份引起的。研究表明,三种制备方法获得的YSZ样品最终的电解质总电导率明显高于其它文献在相同烧结温度及相同测试温度下的总电导率。且直接水热样品的电解质总电导率及晶界电导率明显高于均匀沉淀样品及均匀水热样品,直接水热样品电解质的总导电活化能及晶界导电活化能均低于其它样品。这主要是由于直接水热烧结样品具有较高的相对密度及较低的杂质含量（特别是硅含量）所致。采用均匀沉淀法制备YSZ纳米晶粉末,研究了煅烧温度对YSZ纳米晶的晶体结构、相组成、晶体尺寸、烧结过程的影响,特别是高温烧结样品的

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池
• 1.3 固体氧化物燃料电池（SOFC）
• 1.3.1 SOFC基本组成
• 1.3.2 SOFC工作原理
• 1.3.3 SOFC应用
• 1.3.4 SOFC开发现状
• 1.4 SOFC电解质材料制备概述
• 1.4.1 SOFC电解质纳米粉体材料制备
• 1.4.2 SOFC电解质薄膜材料制备
• 1.5 论文研究的目的和意义
• 1.6 论文研究的内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 仪器设备
• 2.2 表征手段及数据处理
• 2.2.1 红外光谱
• 2.2.2 热分析
• 2.2.3 拉曼光谱
• 2.2.4 X-射线衍射及晶体尺寸
• 2.2.5 微结构分析
• 2.2.6 密度测量
• 2.2.7 X-射线荧光光谱
• 2.2.8 阻抗谱测试
• 第3章 纳米晶NiO的制备及合成条件研究
• 3.1 前言
• 3.2 反应原理
• 3.3 实验过程
• 3.4 表征
• 3.4.1 红外光谱分析
• 3.4.2 热重分析
• 3.5 合成条件影响
• 3.5.1 溶液浓度对性能的影响
• 3.5.2 过饱和度对粒径的影响分析
• 3.5.3 煅烧温度对晶粒尺寸的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 纳米晶YSZ均匀沉淀法合成及电性能
• 4.1 前言
• 4.2 实验过程
• 4.3 YSZ的结构及性能
• 4.4 表征
• 4.4.1 差热-热重分析
• 4.4.2 红外光谱分析
• 4.4.3 X-射线衍射分析
• 4.4.4 烧结曲线分析
• 4.4.5 透射电子显微镜分析
• 4.4.6 拉曼散射分析
• 4.5 电化学性能
• 4.5.1 电化学阻抗谱
• 4.5.2 阿仑尼乌斯关系图
• 4.6 本章小结
• 第5章 纳米晶YSZ水热合成及电性能
• 5.1 前言
• 5.2 水热反应原理
• 5.3 实验过程
• 5.4 表征
• 5.4.1 X-射线衍射分析
• 5.4.2 拉曼光谱分析
• 5.4.3 透射电子显微镜分析
• 5.4.4 烧结曲线分析
• 5.4.5 扫描电子显微镜分析
• 5.5 电化学性能
• 5.5.1 电化学阻抗谱
• 5.5.2 阿仑尼乌斯关系图
• 5.6 本章小结
• 第6章 YSZ电解质薄膜滤涂工艺制备及性能
• 6.1 前言
• 6.2 电池材料制备
• 6.2.1 阳极材料制备
• 6.2.2 电解质薄膜材料滤涂法制备
• 6.2.3 阴极材料制备
• 6.2.4 单电池组装及测试
• 6.3 单电池性能测试
• 6.3.1 理论开路电压计算
• 6.3.2 单电池输出性能
• 6.4 电池阻抗测试
• 6.5 电池微观结构
• 6.6 本章小结
• 第7章 YSZ电解质薄膜干压工艺制备及性能
• 7.1 前言
• 7.2 YSZ纳米粉体材料燃烧法制备及表征
• 7.2.1 实验过程
• 7.2.2 X-射线衍射分析
• 7.2.3 透射电子显微镜分析
• 7.2.4 扫描电子显微镜分析
• 7.3 电池材料制备
• 7.3.1 阳极材料制备
• 7.3.2 YSZ电解质薄膜材料干压法制备
• 7.3.3 阴极材料制备
• 7.4 干压法制备YSZ薄膜单电池性能
• 7.4.1 单电池组装及测试
• 7.4.2 单电池输出性能
• 7.4.3 电池阻抗测试
• 7.4.4 电池微观结构
• 7.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及专利
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 致谢
• 个人简历