摘 要

作为一种新型的发电装置，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells)能够将燃料的化学能直接转化为电能，并且发电规模大，功率高，使用过程相相对于传统电池更清洁。但是传统的YSZ（Y₂O₃ Stabilized ZrO₂）电解质电导率在800 ~ 1000^oC温度范围内方可满足SOFCs运行需求，从而导致YSZ基电池组件材料选择苛刻，制备工艺复杂，成本昂贵等一系列问题，降低其商业化价值。因而，电解质材料的中低温化（600 ~ 800^oC）已成为当前固体氧化物燃料电池研究的热点和趋势。

SDC(Sm_0.2Ce_0.8O_1.9)-NC(Na₂CO₃)作为一种新型的复合电解质材料，因其在中低温范围内具有优异的质子和氧离子电导，并且在一定程度上能够抑制Ce⁴ 的还原，降低电子电导而得到了广泛关注。然而，SDC-NC纳米复合电解质电导特性与其制备过程中热处理工艺密切相关，且由于温和的烧结工艺，其相对致密度远低于单电池对于电解质组件相对致密度的需求。为了解决这一问题，本课题组提出制备高致密度、高电导率SDC-NC纳米复合电解质设想，在降低材料气孔率的同时，分析和讨论热处理工艺对于材料电导和微结构特性的影响。

本文采用了沉淀-预烧的方法合成了SDC-NC复合粉体，采用湿磨工艺分散预烧粉体，经模压成型及800^oC烧结5小时得到致密SDC-NC复合电解质烧结体。通过XRD，FESEM等技术对复合粉体和烧结体进行物相与微结构的表征，随后，我们利用交流阻抗技术研究复合电解质的质子和氧离子电导率。

关键词： SDC-Na₂CO₃ 复合电解质 质子氧离子共传导 界面作用 拉曼光谱 交流阻抗法

Abstract

As a new kind of power device, solid oxide fuel cell can directly convert chemical energy into electrical energy and exhibits lots of advantages, such as large scale, high efficiency and environment friendly. However, the fuel cell based on YSZ electrolyte must be operated in the temperature range from 800 to 1000 ^oC due to the limit of electrical conductivity of YSZ itself, which leads to a series of problems, such as the difficult of choosing in the materials, complicate preparation techniques, high cost and so on. Therefore, seeking for the electrolytes possessing high ionic conductivity in the intermediate temperature range (600 ~ 800^oC) has become hot spots and trends of solid oxide fuel cell research.

SDC (Sm_0.2Ce_0.8O_1.9) –NC (Na₂CO₃) nanocomposites has attracted wide attention because of series of advantages, for instances, high oxide ionic and protonic conductivity in intermediate temperature range and low electronic conductivity in reducing atmosphere. However, the electrical conductive behavior of SDC-NC nanocomposites is effectively controlled by its heat treatment process; on the other hand, the relative density remains a great concern due to the moderate sintering process. To solve these problems, this research is focused on the synthesis of the SDC-NC nanocomposites with high relative density and improved electrical conductivity, with emphasis on the influences from heat treatment processes on the microstructures and electrical conductivities.

The XRD and FESEM was applied to identify the phase compositions and microstructure of the composite powders and sintered samples. And then we measured the protonic and oxide ionic conductivities of the composite electrolytes by using the AC impedance spectrum method.

Keywords: SDC-NC nanocomposite electrolytes; Oxide ionic/protonic co-conduction; SDC-Na₂CO₃; Interfacial interaction; Raman spectra;

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1燃料电池的概述 1

1.1.1 燃料电池的特点 1

1.2固体氧化物燃料电池（SOFCs）概述 1

1.2.1 SOFCs的主要特点 2

1.2.2 SOFC的工作原理 2

1.2.3 SOFC的主要结构 3

1.2.4 SOFC国内外的研究动态 3

1.3 固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质材料 4

1.3.1 ZrO₂基电解质 4

1.3.2 Bi₂O₃基电解质 5

1.3.3 CeO₂基电解质 5

1.4 SDC-碳酸盐复合电解质 6

1.5 本论文的出发点及其意义 7

第二章 SDC-Na₂CO₃复合电解质的制备 8

2.1 实验原料及试验所需设备 8

2.2 SDC-NC复合电解质的制备 9

2.2.1 SDC-NC粉体及烧结体的制备 9

2.2.2 SDC-NC纳米复合电解质基单电池的制备工艺 10

第三章 实验结果与讨论 11

3.1 SDC-NC预烧粉体的物相与微结构分析 11

3.2 SDC-NC烧结体的物相与微结构分析 12

3.3 SDC-NC烧结体的电性能分析 14

3.3.1 样品的制备和测试 14

3.3.2 交流阻抗分析 15

3.3.3 拉曼光谱分析 19

3.3.4 基于SDC-NC电解质的单电池性能表征 20

第四章 总结 22

参考文献 23

致谢 27

绪论

第一次工业革命促进了化石能源消耗，在给人们带来诸多便利的同时，也造成了许多环境问题。二十一世纪以来，环境问题和能源问题越来越严重，已经达到威胁人类社会发展的地步。因此，人们正在寻找一种新型能源，在保证清洁无污染的同时，还必须保证其可持续性。燃料电池在这样的背景下诞生了。这是一种能够将燃料(H₂、CH₄、CO等)和氧化剂(O₂)反应产生的化学能直接转化成电能的装置，其能量转化率高，污染小，原料广泛，是一种理想的新型能源^[1]。

1.1燃料电池的概述

燃料电池是一种新型的发电装置。与传统电池相比， 燃料电池在能量转化效率方面占据着极大的优势。这是由于燃料电池在工作过程中，燃料与氧化剂反应产生的化学能被直接转化为电能。这一反应机理不涉及热能转化，因此其理论效率高达80%以上。当前，世界各国都在增加对燃料电池的研究投入，希望在不远的将来能够投入到实际使用中。

燃料电池的特点

燃料电池由阴极、阳极和电解质组成，其工作原理大体上和一般的化学电池相同^[2]。燃料电池和普通化学电池最大的差别体现在氧化剂和还原剂上。普通化学电池工作过程中，发生可逆的氧化还原反应，通过充电过程可以实现这一过程的逆向反应。而燃料电池所使用的氧化剂和还原剂则由外部供给，同时其反应产物主要为水，具有清洁高效的特点。

1.2固体氧化物燃料电池（SOFCs）概述

80年代后，随着全球工业技术飞速发展，能源需求日益扩大，传统的化石能源不仅储量堪忧，而且造成的环境污染也十分严重。因此，人们迫切寻找化石能源的替代品。固体氧化物燃料电池正是在这种背景下出现在人们的视野中。固体氧化物燃料电池的优点包括能量转化率高，结构安全可靠，燃料适用范围广，污染极低等等。早期的固体氧化物燃料电池受限于电解质的原因，其工作温度较高，大概为800^oC~1000^oC，这就带来一系列的问题，例如电极材料选择苛刻，安全系数降低等等。近年来，各国加大了针对SOFCs的研究投入，其首要目标是降低其工作温度，使其在中低温条件下依然能够保持较好的性能。

1.2.1 SOFCs的主要特点

固体氧化物燃料电池（SOFCs）相对于传统电池有诸多优点，其中最重要的为以下几点^[5-7]：

1. 结构设计高度模块化，安装、使用简便；
2. 能量转化率高，总效率达80%以上；
3. 阴极、阳极具有催化活性，不需要额外的贵金属作为催化剂，从而降低了电池的制造成本；
4. 电解质为陶瓷氧化物，耐腐蚀性较高，电池使用寿命长，运行时间长达40000~80000小时。

在能源危机日益严重的今天，固体氧化物燃料电池（SOFC）凭借以上优点进入我们的视野，SOFC被认为是21世纪最具潜力的新能源之一。

1.2.2 SOFC的工作原理

燃料电池按照电解质的类型可分为五大类。尽管它们的具体工作方式有所差异，但它们的工作原理都是相似的。如图1-2所示是固体氧化物燃料电池（SOFC）的工作原理图^[8-9]。

如图所示，燃料气体（H₂、CH₄、甲醇等）在SOFC阳极一侧，在电极的催化作用下，与阴极迁移过来的氧离子发生氧化反应，生成H₂O与CO₂。反应放出的电子通过外电路驱动负载后到达阴极，并在阴极的催化作用下，与阴极一侧的氧化剂发生还原反应生成氧离子。氧离子在浓度梯度的作用下，通过电解质迁移至阳极，完成一个完整的循环。

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