论文总字数：24153字

摘 要

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel cell, SOFC）是一种将燃料气体与氧气通过电化学反应获取电能的装置。因其具有转换效率高、环境友好、燃料适应性较强（H₂，CO 石化燃料等）和应用范围广泛等优点，是新一代绿色能源。固体氧化物燃料电池堆主要分为管式、平板式、瓦楞式和扁管式四种结构类型。其主要部件由电解质、阴极、阳极和连接材料四大部分构成。为了使电解质材料获得足够高的离子电导率，固体氧化物燃料通常在600~1000℃的高温下工作。因此，对其部件材料的选择和使用提出了严格要求。开发成本低、性能优异的电池材料成为SOFCs商业化面临的关键技术挑战。本文综述了固体氧化物燃料电池的发展过程和基本原理，简单介绍了几种电解质和纳米氧化锆的制备方法并对它们进行了分析和比较，并对机械研磨法制备的氧化钇掺杂的氧化锆进行试验，分别对其球磨过程中的粒径变化以及二次造粒烧结过后的气孔率及电导率进行测量，最后对实验中球磨过程对8YSZ离子电导率的影响总结结论和规律。

关键词：固体氧化物燃料电池 氧化锆 电解质 机械研磨

Effects Of Milling Process On 8YSZ Ionic Conductivity

ABSTRACT

Solid oxide fuel cell (SOFC) is a power generator that translates the energy of
fuel gas into electricity in an electrochemical way. Due to the high efficiency, low
pollution, good fuel compatibility (H₂, CO and fossil gases) and wide applications, it
has attracted much attention. The typical structures of SOFC stacks can be divided
into four catalogs: sealless tubular design, flat-plate design, monolithic design and flat
tubular segmented-in-series design. And the main cell components include electrolyte,
cathode, anode and interconnect. A SOFC generally operates at 600-1000℃ in order
to minimize the internal resistance. As a result, development of materials with low
cost and high performance has become a challenge for the commercial application of
SOFC.This dissertation focuses on Solid oxide fuel cell development process and the basic principle, introduced several kinds of electrolyte and the preparation method of nanometer zirconium oxide and analyzed and compared, and the mechanical grinding method, the experiments of yttrium oxide doped zirconia respectively on the particle size of ball grinding process after the change and secondary granulation and sintering of porosity and electrical conductivity measurement, finally, the experiment of  ball grinding process on the influence of the conductivity of 8YSZ ion summarizes the conclusion and rule.

KeyWords: Solid oxide fuel cell; Zirconia; Electrolyte; Mechanical polishing

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪 论 1

1.1 燃料电池发展过程 1

1.2 燃料电池的分类 1

第二章 固体氧化物燃料电池 3

2.1 固体氧化物燃料电池简介及原理 3

2.1.1 固体氧化物燃料电池SOFC简介 3

2.1.2 固体氧化物燃料电池SOFC反应原理 3

2.2 SOFC燃料电池的结构 4

2.2.1 SOFC主要结构 4

2.2.2 阴极材料 5

2.2.3 阳极材料 5

2.2.4 连接材料 5

第三章 燃料电池电解质 6

3.1 固体氧化物电解质材料 6

3.1.1 SOFC电解质材料介绍 6

3.2 不同种类的电解质材料对比 7

3.2.1 （A）氧化锆 7

3.2.2 （B）掺杂氧化铈电解质 8

3.2.3 （C）掺杂镓酸镧 9

3.2.4 （D）质子导体 10

3.3 YSZ物理制备法 10

第四章 球磨过程对8YSZ离子电导率的影响 12

4.1 实验过程 12

4.1.1 引言 12

4.1.2 实验目的 12

4.1.3 实验原料 12

4.1.5 性能测试 13

4.1.6 实验结果与结论 14

第五章 结 语 19

参考文献 20

致 谢 25

第一章 绪 论

1.1 燃料电池发展过程

随着科学技术尤其是工业技术的不断发展，各国对于煤炭、石油、天然气等资源的需求量与日俱增。为面对即将到来的能源短缺时代，人们不断致力于寻求环境友好的新一代绿色能源以满足生产和市场的运营需要。作为一种品质高、可靠性强的发电装置，燃料电池受到了广泛的关注。该类设施不仅具有较高的能量转换效率，而且具有接近于零的污染物和温室气体排放水平。燃料电池的基本原理首先由William R Grove爵士在1839年揭示^[1]。当时他所展示的燃料电池以稀硫酸电解质，在室温状态运行。在1889年，LudwigMon和他的助手CarlLanger通过水-氧气燃料电池，在0.73伏特的输出电压下获得了6安培的输出电流。在1899 年，Nernst在氧化钇稳定氧化锆中观察到离子电导的存在^[2]。基于Nerst的研究成果，Baur和Preis在1937年发明了世界上第一个陶瓷燃料电池^[3]。二十世纪六十年代，Pratt amp; Witney 有限公司改进了磷酸盐燃料电池并将其产品成功运用在空间飞行器中，为美国阿波罗登月计划作出了巨大的贡献。自二十世纪八十年代中叶开始，美国、加拿大、日本等国政府相继在燃料电池研发上投入大量专项资金和人力。在他们的带动下，近年来，以美国的西门子-西屋电气公（Simens-Westinghouse）、日本的三菱公司（Mitsubishi）和京瓷公（Kyocera）、荷兰的巴拉德动力（Ballard Power）等为代表的全球众多企业及科研机构亦对燃料电池的研究与产业化投入了无比的精力与热情^[4-6]，从而掀起了一场世界范围内的燃料电池开发热潮。

1.2 燃料电池的分类

一般说来，燃料电池可根据其核心部件——电解质材料的组成，分为质子交换膜燃料电（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC，又称聚电解质膜燃料电池polymeric electrolyte-membrane fuel cell）、碱性燃料电池（alkaline fuelcell,AFC）、磷酸盐燃料电池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cell, MCFC）和固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）。由于电解质工作温度和运行环境的差别，构成这五类燃料电池的主要部件材质各不相同，也导致了它们在电池特性和应用范围上存在较大的差异性。但相同的是，燃料电池均采用氢气或者脱硫碳氢石化产物为能量来源，因而与传统发电设备相比较，在环境污染的控制方面具有无可比拟的优势。其硫氧化合物及氮氧化合物的排放接近于零。燃料电池的另一个关键优势是其具有相对较高的能量转化效率。由于电池本身通过电化学反应直接将燃料气体所蕴含的化学能转化为电能，与传统发电方式相比省略了中途热能和机械能的过渡环节，因此燃料电池的发电效率不受传统热机的卡诺循环限制，其理论转换效率值甚至可超过80%。与普通燃烧过程相似的是，燃料电池通过燃料气体与氧化性气体的电化学化合反应产生电能。因而从理论上说，任何可以参与电化学氧化还原反应的气体均可作为反应物的来源。但是由于具有较高的反应活性和零污染特点，氢气作为一种理想的燃料被普遍采用。值得一提的是，以SOFC为代表的少数电池同样可以利用一氧化碳作为燃料气体，也就是说，它们的能量来源可以扩展到天然气以及其它石化产物。通过气体重整技术，上述碳氢化合物可以转化为氢气和一氧化碳的组合，这大大增强了这类电池的燃料兼容性^[7]。

第二章 固体氧化物燃料电池

2.1 固体氧化物燃料电池简介及原理

2.1.1 固体氧化物燃料电池SOFC简介

由于具有较高的能量转化效率和较低的污染物排放水平，固体氧化物燃料电池（SOFC）被认为是最有希望的新一代固定及移动电力发生装置之一。作为第三代燃料电池技术，SOFC电池单体采用陶瓷材料作为电解质，运行温度范围约为600-1000℃。如此高的温度使得燃料气体重整步骤无需外部重整设备的协助，整个过程可以直接在电池体内部完成：同时，无需贵金属催化剂的参与，仍然可以达到较快的反应速率；此外，高质量的反应余热通过并联燃气涡轮系统可以使能量的利用率最大化。因此目前在所有燃料电池发电系统中，SOFC的发电效率居于首位。SOFC电池系统采用模块化设计，拥有全固态的系统结构，避免了诸如电解液泄露、电极腐蚀等通常易出 现的电池问题。综合上述优点，SOFC 非常适合应用在固定或移动能源系统中，包括一些条件严苛的商业及军事用途^[8-9]。

2.1.2 固体氧化物燃料电池SOFC反应原理

SOFC以电解质两侧化学浓度梯度为电化学反应驱动力。在特定温度条件下，氧化性气体（通常为氧气）在阴极反应区域内离子化，所形成的离子流借助固体致密电解质中的离子空位传输至阳极反应区域。在这个部分离子流与燃料气体（通常为氢气和一氧化碳，其余碳氢化合物通过重整转化为上述两者）相遇并发生电化学化合反应。氢气被氧化为水，而一氧化碳被氧化为二氧化碳，反应的同时释放出电子，从而在连接阳极、负载和阴极的外围回路中形成直流电流。只要保证燃料及氧化性气体的不间断供应，该反应就可一直持续下去。

在电极部分发生的电化学反应可以表达为：

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