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摘 要

近年来，随着化石能源的过度开采和使用，能源危机和环境污染问题日益严重，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（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。于是中低温化成为SOFC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SOFC电解质材料的电导性能为目标，在面向ESB/YSZ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，以硝酸钇和硝酸锆为原料制备YSZ粉体，通过旋涂法将ESB浆料旋涂到YSZ基片上制备得到ESB/YSZ双层电解质，利用XRD、SEM等技术详细分析研究了ESB、YSZ的微结构特征，并探究了不同厚度比的ESB、YSZ双层电解质对电池电性能的影响。

关键词： 中低温SOFC 双层电解质 共沉淀 溶胶凝胶 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, 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 ESB/YSZ bi-layered electrolyte preparation and performance of the system, using bismuth nitrate and erbium nitrate as raw materials by ESB powder, yttrium nitrate and zirconium nitrate as the raw material for preparing the YSZ powder, pass over spin coating the ESB slurry spin coating to YSZ based on chip prepared by ESB/YSZ bi-layered electrolyte, using XRD and SEM techniques are analyzed and studied in detail the microstructure characteristics of the ESB, YSZ, and to explore the effects of different thickness ratios of ESB, YSZ electrolyte on the electrical performance of the battery.

Key words： Intermediate-Low temperature SOFC, bi-layered electrolyte, Co-precipitation method, sol-gel, ion conductivity

目录

摘要 I

Abstract II

目录 I

第一章绪论 1

1.1 SOFCs背景及发展 1

1.2中低温SOFC的发展 4

1.2.1 ZrO₂基电解质 5

1.2.2 CeO₂基电解质 6

1.2.3 Bi₂O₃基电解质 7

1.2.4 双层电解质 8

1.2.5 其他类型的电解质 9

1.3 本文研究的主要内容、目的和意义 10

第二章 ESB\YSZ双层电解质的制备 11

2.1实验部分 12

2.1.1YSZ电解质粉体的溶胶-凝胶法合成 13

2.1.2 ESB电解质粉体的共沉淀法合成 14

2.1.3 YSZ陶瓷基片的制备 15

2.1.4 ESB/YSZ双层电解质的制备 16

2.2 实验结果与讨论 16

2.2.1 YSZ和ESB粉体的物相结构表征与分析 16

2.2.2 YSZ陶瓷电解质基片的致密度测试 18

2.2.3 ESB/YSZ双层电解质的微观形貌表征 18

2.2.4 ESB/YSZ双层电解质的电性能测试与分析 19

2.3小结 24

参考文献 25

致谢 28

第一章绪论

随着全球工业化的加速和人们生活水平的不断提高，人类对能源的需求愈发增长。经济和社会的发展、人口的增加、生活水平的提高，使得能源消耗必将成倍增长。能源是改善人民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。但是，人类无止境的开采和挖掘，使得矿物资源正在逐渐减少，同时，环境污染日益严重。传统的能源结构及其利用方式越来越难以满足人类生存发展的需要。目前全球使用的大部分能源来自化石燃料的燃烧过程。全球对化石燃料利用的持续增长导致了温室气体CO₂排放的增加，美国能源部预计，2015年全球的排放量要比1990年增加60%，并且，燃料燃烧过程产生的氮氧化物（NO_x）、硫氧化物（SO_x）、未燃尽的碳氢化合物（HC）等是主要的大气污染物。

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