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摘 要

钇掺杂的BaZrO₃（BZY）因其化学稳定性好，体积电导率高，被认为是极具前景的质子导体基固体氧化物燃料电池的电解质材料，但是较差的烧结性能一直阻碍其发展与应用。虽然烧结助剂的添加能够有效提升烧结性能，但会对电性能造成不利的影响。在本课题中，使用改进的固相法合成BaZr_0.85Y_0.15O_3-δ (BZY15)，并研究了磷酸盐（Li₃PO₄）对BZY烧结性能、结构和电性能的影响。研究发现，在BZY中只添加Li₃PO₄会提升BZY的烧结性能，但与Ba反应生成Ba₃(PO₄)₂，大大降低了电性能。而同时添加Li₃PO₄和NiO会进一步促进烧结性能的提升，并且提高电性能。添加3.5wt%NiO和25wt% Li₃PO₄的BZY在1400℃的相对密度达到88%，600℃时，在湿润的N₂下的电导率达到2.3×10^-3S/cm。扫描电镜和阻抗谱分析表明，在NiO和Li₃PO₄的协同作用下，晶粒进一步生长，晶界电阻大大减小。

关键词：质子导体固体氧化物燃料电池 烧结助剂 磷酸盐

Effect of Phosphate on the Structure and Properties of Y-Doped BaZrO₃ Proton Conductor Electrolytes

Abstract

Y-Doped barium zirconate (BZY) is considered as the promising electrolyte materials for proton-conductor based SOFC due to its considerable chemical stability and high bulk conductivity. However, the inferior sinterability has always hindered its development and application. Although the addition of the sintering aid can effectively improve the sinterability of BZY, it has adverse effect on the electrical property. In this work, BaZr_0.85Y_0.15O_3-δ (BZY15) was synthesized by improved solid-state reaction method, and the effect of phosphate (Li₃PO₄) on the sinterability, structure and electrical property of BZY was investigated. The results show that a separate addition of Li₃PO₄ improves the sinterability of BZY, but Li₃PO₄ will react with Ba to form Ba₃(PO₄)₂, which greatly reduced the electrical property. While the addition of Li₃PO₄ and NiO further promotes the sinterability of BZY and improves the electrical property. The relative density of the BZY with 3.5 wt% NiO and 25 wt% Li₃PO₄ reaches 88%, and the conductivity at 600 ℃ under wet N₂ is 2.3×10^-3 S/cm. Scanning electron microscopy and impedance spectroscopy analysis indicate that the synergistic action of NiO and Li₃PO₄ may further promote the grain growth and reduce the grain boundary resistance.

Key Words: Proton conductor Solid oxide fuel cell; Sintering aid; Phosphate

目 录

摘要 I

ABSTRACT

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 燃料电池

1.3 固体氧化物燃料电池

1.3.1 SOFC的组成

1.3.2 SOFC工作原理

1.3.3 两种类型的SOFCs对比

1.4 钙钛矿型质子导体基电解质材料

1.4.1 BaCeO₃基质子导体

1.4.2 BaZrO₃基质子导体

1.5 本文研究目的与内容

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究内容

第二章 实验原料、设备及方法

2.1 实验原料与仪器

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验仪器

2.2 制备工艺与实验方法

2.2.1 Y掺杂BaZrO₃（BZY）的制备

2.2.2 Li₃PO₄的添加

2.2.3 Li₃PO₄和NiO的添加

2.3表征、测试方法

2.3.1 X-射线衍射分析（XRD）

2.3.2 相对密度

2.3.3 扫描电镜分析（SEM）

2.3.4 电化学工作站测量阻抗谱

2.3.5 阿仑尼乌斯作图公式

第三章 实验结果与讨论

3.1 Li₃PO₄对BZY结构和性能的影响

3.1.1 Li₃PO₄对BZY烧结性能的影响

3.1.2 Li₃PO₄添加量对BZY结构的影响

3.1.3 Li₃PO₄对BZY电性能的影响

3.2 添加Li₃PO₄和NiO对BZY结构和性能的影响

3.2.1 Li₃PO₄和NiO对BZY烧结性能的影响

3.2.2 Li₃PO₄添加量对BZY结构的影响

3.2.3 Li₃PO₄和NiO对BZY电性能的影响

第四章 结论

参考文献

致谢

绪论

1.1 研究背景

21世纪以来，人类对于能源的消耗处于不断增长的状态，当今时代，不可再生能源（例如石油、煤、天然气等重要资源）的使用量飞速上升。能源危机已经成为了全球不得不面临的严峻问题，大量的二氧化碳，氮氧化物和硫氧化物等污染物在使用这些传统能源会被产生，这些污染物会导致酸雨，温室效应，臭氧破坏等环境污染问题^[1]。现如今能源问题引起人们重视，可回收利用且污染小的清洁型能源如太阳能发电、风能发电、核能发电等发电方式受到越来越多的重视^[2]。尤其是其中的一种以氢气、天然气作为燃料进行发电的燃料电池被人们大量地研究和开发。燃料电池因其工作原理不产生污染物，且能量转换效率极高，被认为是排放污染低、能量利用率高的新型能源。

1.2 燃料电池

燃料电池（Fuel Cell）与传统蓄电池的发电原理有着极大的不同，它们的本质区别是对于能量的转换和利用的不同。蓄电池是通过传输能量的方式来发电，其工作原理为用一个能量源给予蓄电池能量（即充电），蓄电池会储存这些能量，在工作时进行放电，将储存的能量通过回路释放，以达到负载工作的目的。而和普通电池最大的不同是，燃料电池的发电方式将能量进行转换，将燃料源和氧气中的能量转化成电能^[3]。燃料电池还很安全，它的燃料和氧化剂可以由在外部的燃料罐和气体储存装置来提供。所以在燃料电池工作的时候，需要不停地通入燃料和氧化剂才能保证其正常工作。

燃料电池的分类方式有很多种，根据电解质的不同可以将燃料电池分为五种，本文主要研究的固体氧化燃料电池（SOFC）^[4]。

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