论文总字数：20060字

摘 要

伴随几个世纪工业革命如火如荼的展开，传统能源被人们滥用挥霍，在最近几年让人们意识到了自己忽略的能源匮乏危机以及以石油为代表的燃料所造成的环境破坏，这就让新能源的开发和应用成为科学研究的重点，其中SOFC因其高效清洁备受青睐。以YSZ（(Y₂O₃)_0.08(ZrO₂)_0.92）为电解质的传统SOFC工作温度高达1000℃，提高了对于各组件热力学稳定性的要求，进而增加了制备和使用成本。

本文以提高中低温SOFC电解质材料的电导性能为目标，在面向Gd/Fe共掺CeO₂基电解质的制备及其性能进行了系统的研究，以硝酸铁、硝酸钆和硝酸铈为原料制备Gd/Fe共掺CeO₂基电解质，采用共沉淀法合成不同组分的纳米粉体，经过干压成型、高温烧结得到电解质陶瓷片。利用XRD、SEM等技术详细分析研究了Gd/Fe共掺CeO₂基电解质的微结构特征，用电化学工作站测试了Gd/Fe共掺CeO₂电解质的电性能，并探究了掺杂不同摩尔含量的Fe₂O₃对Gd/Fe共掺CeO₂基电解质电性能的影响。

关键词： 中低温SOFC 共掺氧化铈基电解质 共沉淀 低温烧结 氧离子电导率

Abstract

With the overexploitation of three major energy, oil, gas and coal, petroleum and natural gas, the energy crisis is increasingly severe in recent years. The development and use of new power sources became the emphasis in science research. Solid oxide fuel cell is a new kind of power generation which can convert chemical energy into electrical energy directly, without any energy loss caused by Carnot Cycle. What’s more, SOFC is environmentally friendly and gains more attention. However, the working temperature of traditional SOFCs is up to 1000℃, accompanied by high cost of preparation and application. So lowering working temperature of solid electrolyte fuel cell is the emphasis of the research, and the key lies in increasing ions conduction of electrolyte working at intermediate temperature. Except for synthesis new electrolyte materials in the way of ions doping, the reduction of electrolyte layer thickness and optimization of electrolyte layer structure are also important in the increase of ions conduction.

In this thesis, to improve the low temperature electrolyte material for SOFC conductivity as the goal, for Gd/Fe co-doped ceria electrolyte preparation and performance of the system, using ferric nitrate, gadolinium nitrate and cerium nitrate as raw materials by Gd/Fe co-doped ceria electrolyte powder, preparing the nano-particles by coprecipitation method, using XRD and SEM techniques are analyzed and studied in detail the microstructure characteristics of the Gd/Fe co-doped ceria electrolyte. The electrical properties of Gd / Fe co-doped ceria electrolyte were tested by electrochemical workstation. The effects of different molar content effect of Fe-doped Gd / Fe co-doped ceria electrolyte on electrical properties of batteries.

Key words： Intermediate-Low temperature SOFC; co-doped ceria based electrolyte; Co-precipitation method; low-temperature sintering; O^2- ion conductivity

目录

摘要 II

Abstract III

目录 I

第一章绪论 2

1.1 SOFCs背景及发展 2

1.2中低温SOFC的发展 3

1.2.1ZrO₂基电解质 4

1.2.2CeO₂基电解质 5

1.2.3LaGaO₃基电解质 10

1.2.4其他类型的电解质 10

1.3 本文研究的主要内容、目的和意义 11

第二章 Gd/Fe共掺CeO₂电解质的制备 12

2.1实验部分 12

2.1.1 Gd/Fe共掺CeO₂基电解质纳米粉体合成 14

2.1.2 Gd/Fe共掺CeO₂基电解质片的制备 15

2.2 实验结果与讨论 15

2.2.1 Gd/Fe共掺CeO₂基电解质纳米粉体的物相结构表征与分析 15

2.2.2 Gd/Fe共掺CeO₂陶瓷电解质基片的致密度测试 17

2.2.3 Gd/Fe共掺CeO₂电解质的微观形貌表征 17

2.2.4 Gd/Fe共掺CeO₂基电解质的电性能测试与分析 18

2.3小结 22

参考文献 23

致谢 25

第一章 绪论

经过几次工业革命之后，由于生产力的快速提高、人们对于享受生活的要求越来越高。经济的增长与人口的剧增，迫使能源愈发匮缺。能源真正可以影响到一个国家是否能够正常发展，保障人们的生活水平。但是，随着技术的提高，商业化规模的加大，能源逐渐被人们挖掘殆尽，伴随着矿石燃料的燃烧，大气层被破坏，地球环境受到严重的污染。并且传统的矿石燃料的利用方式以及能源的使用结构都不利于可持续发展，所以寻觅新能源代替已经提上了日程。燃料电池是一种能源转换装置，它对环境不会造成破坏，相比较于传统能源，它的性能上并没有劣势。它的工作原理利用化学反应的方法将燃料的化学能直接转化为电能，因为不存在燃烧所以理论上是没有能量浪费的，实际中余热也可以直接利用使它的效率在50%-60%左右^[9]。并且反应生成的物质对于环境不会造成破坏，更加不会生成温室气体。

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