论文总字数：23439字

摘 要

随着化石能源的过度开采和使用，近年来能源危机和环境污染问题日益严重，所以新能源的开发和应用成为科学研究的重点。其中，固体氧化物燃料电池（SOFCs）因其高效清洁备而受青睐。以YSZ（Zr_0.84Y_0.16O_1.92）为电解质的传统SOFCs工作温度高达1000^oC，提高了电池对于各组件热力学稳定性的要求，所以也进而增加了制备和使用成本。于是中低温化成为SOFCs的发展趋势，而这一研究的关键在于提高电解质材料在中低温条件下的离子电导率以及电解质层的薄膜化。

本文以提高中低温SOFCs电解质材料的电导性能为目标，在面向ESB/GDC双层电解质的制备及其性能进行了系统的研究，以硝酸铋和硝酸铒为原料制备ESB粉体，以硝酸钆和硝酸铈为原料制备GDC粉体，通过旋涂法将ESB浆料旋涂到GDC基片上制备得到ESB/GDC双层电解质，利用XRD、SEM等技术详细分析研究了ESB、GDC的微结构特征，并探究了不同厚度比对ESB/GDC双层电解质的电导性能的影响。

关键词： 中低温SOFCs 双层电解质 共沉淀 旋涂法 离子电导率

Abstract

With the overexploitation of 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, SOFCs is environmentally friendly and gains more attention. However, the working temperature of traditional SOFCs like YSZ（Zr_0.84Y_0.16O_1.92）is up to 1000^oC, 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 SOFCs conductivity as the goal, for ESB/GDC bi-layered electrolyte preparation and performance of the system, using bismuth nitrate and erbium nitrate as raw materials by ESB powder, gadolinium nitrate and ceria nitrate as the raw material for preparing the GDC powder, pass over spin-coating the ESB slurry to GDC based on chip prepared by ESB/GDC bi-layered electrolyte, using XRD and SEM techniques are analyzed and studied in detail the microstructure characteristics of the ESB, GDC, and to explore the effects of different thickness ratios of ESB/GDC bi-layered electrolyte on the electrical performance of the battery.

Key words：Intermediate-Low temperature SOFCs, bi-layered electrolyte, co-precipitation method, spin-coating, ion conductivity

目录

摘要 2

Abstract 3

目录 4

第一章 绪论 5

1.1 SOFCs背景及发展 5

1.2 SOFCs关键构件的要求和研究内容 6

1.3中低温SOFC的发展 8

1.4本文研究的主要目的和意义 13

第二章 ESB/GDC双层电解质的制备 14

2.1实验部分 14

2.1.2 ESB电解质粉体的共沉淀法合成 16

2.1.3 GDC陶瓷基片的制备 17

2.1.4 ESB/GDC双层电解质的制备 18

2.2实验结果与讨论研究 18

2.2.1 GDC和ESB粉体的物相结构表征与分析 18

2.2.2 GDC陶瓷电解质基片的致密度测试 20

2.2.3 ESB/GDC双层电解质的微观形貌表征 20

2.2.4 ESB/GDC双层电解质的电性能测试与分析.....................................................21

2.3小结 25

参考文献 27

第一章 绪论

现代工业发展迅速，带动了一系列人类活动。其中，能源是当今时代的一个重要课题。能源撑起了人类的一切基本活动，是改善人名生活水平和发展国民经济的重要基础，也是一个国家经济发展的重要制约因素之一。世界对化石燃料的需求在工业革命后与日俱增。煤炭等化石燃料随着人类的无休止的开采，使其储存量也日益减少。煤炭燃料的燃烧，也会造成大量温室气体的排放。人们开始寻找有效的能量转换方法和清洁的替代能源，可以通过电化学反应转换成电能。其中固体氧化燃料电池（SOFCs）的优势很大。SOFCs是一种以氢气或者甲烷、天然气等碳氢化合物作为燃料的环境友好型、高效能量转换装置，具有燃料适应性强，输出功率密度高，固体电解质热稳定性好，可实现热电联供等优点^[1]。由于在传统高温800~1000^oC下 SOFCs的性能还是会有一些缺陷，科研人员们正致力于将其正常工作温度降低至600^oC以下的中低温。这么做降低了电池的启动温度和时间，有效降低每一个组件的老化速率，提高固氧电池的稳定性并且延长其寿命^[2]。

但其实将SOFCs的工作温度降低，也会带来很多问题。在本文中，主要讲解如何制备ESB/GDC双层电解质并且对其各种性能的研究，以及对实验结果的归纳和总结。

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