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摘要与传统内燃机不同，固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种在离子导电氧化物的作用下，利用燃料气和氧化剂气体发生电化学结合，得到所需电能的全固态能量转化装置，具有无污染、能量利用率高、结构稳定和适用范围广的优点。一种新发现的二文层状氧化物离子导体Sr3-3xNa3xSiO9-1.5x在光导电性，稳定性和电化学性能上可以说是中温固体氧化物燃料电池中一个理想的固体电解质。本论文通过固相烧结法获得具有高催化活性的电解质材料Sr3-3xNa3xSiO9-1.5x，通过 XRD、阻抗分析仪、热膨胀分析仪和电导率对电解质的性能进行了表征，对比其电化学性能确定最佳配比，并且复合其他电解质材料最终达到提高 SOFC 性能的目的。30937
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毕业论文关键词 固体氧化物燃料电池 固相烧结 电解质 掺杂
Title Synthesis and electrical properties of strontium silicatesilicate electrolytes
Abstract Different from the conventional internal combustion engines, The solid oxide fuelcell (SOFC) is a solid-state energy conversion device which use fuel and oxidantgas through the ion-conductive oxide electrochemical binding to produceelectricity. With the advantages of environmentally-friendly, high energyconversion efficiency, fuel adaptability, and wide range of applications.a newlydiscovered 2D layered oxide-ion conductor Sr3-3xNa3xSiO9-1.5x can be an ideal solidelectrolyte for IT-SOFCs in light of conductivity, stability and electrochemicalperformance. The paper obtained electrolyte materials Sr3-3xNa3xSiO9-1.5x with highcatalytic activity by solid phase sintering method. The electrolytes werecharacterized by XRD,ac impedance specctroscopy,thermal expansion anlyzer. Bycomparing the thermal expansion properties, electrical conductivity propertiesand electrochemical properties to determine the optimal ratio and doped with otherelectrolyte materials to ultimately achieve the purpose of improving theperformance of SOFC.
Keywords Solid oxide fuel cell,Solid phase sintering,Electrolyte,Doping
目次
1引言.1
1.1燃料电池1
1.1.1燃料电池简介1
1.2固体氧化物燃料电池.2
1.2.1SOFC的工作原理.2
1.2.2SOFC的应用3
1.3固体电解质4
1.3.1固体氧化物电解质基本要求7
1.4Sr3-3xNa3xSiO9-1.5x的研究情况.7
2Sr3-3xNa3xSiO9-1.5x粉体和烧结体的制备和表征8
2.1实验试剂和仪器.8
2.1.1实验试剂.8
2.1.2实验仪器.8
2.2.电解质材料SNS的制备.8
2.3表征方法及性能测试.9
2.3.1X射线衍射分析（XRD).9
2.3.2电化学性能测试9
2.3.3电导率测试.9
2.4结果与讨论10
2.4.1SNS粉体的XRD表征.10
2.4.2SNS电解质材料的性能研究.10
2.4.3SNS电解质材料的阻抗分析.11
2.4.4组分X=0.45的SNS电解质材料与其他电解质材料的氧离子电导率比较13
2.4.5SNS电解质材料的长期稳定性.13
2.4.6Ni-SNS/SNS/LSCF的原电池测试.14
3复合电解质的制备和表征16
3.1.1实验试剂.16
3.1.2实验仪器.16
3.2电解质材料的合成17
3.2.1电解质材料SDC的制备.17
3.2.2复合电解质的制备17
3.3实验结果和讨论17
3.3.1SDC粉体的XRD表征.17
3.3.2SNS-SDC复合电解质的XRD表征.18
3.3.3SNS-SDC烧结温度分析.19
3.3.4复合电解质中不同含量SDC电导率测量20
3.3.5SNS-SDC复合电解质的阻抗分析.20
3.3.6SNS-SDC复合电解质原电池测试.21
结论.23
致谢.24
参考文献.25
1 引言进入21世纪的高速发展，对能源的需求也日益增多，同样对环境的影响也日益加剧，尤其是运输工具的迅猛发展和化石燃料的大量使用，对环境造成了极大地压力，在空气、水源等方面造成了极大地破坏，给严峻的环境保护造成了巨大的难题。由于化石燃料资源储量有限和对生态环境的重视，世界各国都在不遗余力的发展清洁、高效的清洁能源，如太阳能、风能、地热能等。但新型能源由于地域或研发的制约，以及传统的发电技术的成熟，无法起到替代作用，因此转化率高的环境友好型燃料电池是现在最重要的课题。燃料电池可将燃料的化学能直接转化为电能，以其高效、清洁、适应性强等优势而被誉为继火力、水力和核能发电之后的第四代发电方式。早期燃料电池采用磷酸燃料、熔融碳酸盐燃料等，现在主流燃料电池为固体氧化物燃料电池（SOFC)[1]。从SOFC的发展来看，其结构经历了管状，平板型和整体型的历程；从工作温度上看，可以分为高温型（800~1000℃），中温型（600~800℃）和低温型（300~600℃）三种；也可以按照能源转化方式和利用率分类的燃料电池。目前可以大规模生产与使用的是PEMFC（质子交换膜燃料电池）和SOFC。不同于其他的燃料电池，SOFC具有其他电池所不具备的优势：（1）无液态结构，完美解决腐蚀和流失等问题；（2）催化剂简单实用，电池价格更加低廉；（3） 燃料满足大部分需求；（4）燃料可以在电池内部重整［2］；(5)能源转化效率高[3]；（6）排放气体少，基本无噪声污染；（7）规模和安装地点灵活，（8）余热可与汽轮机组成联电循环发电系统，所以SOFC燃料电池越来越受到重视，是以后研究领域的一大趋势。1.1 燃料电池燃料电池是新型的能源利用方式，能量转化率可达两至三成，除了温室气体外，基本上没有有害气体的产生，从可持续性发展的角度看，燃料电池将在未来舞台上大放异彩。1.1.1 燃料电池简介燃料电池中的燃料气的化学能无需经过其他转化途径，可直接转化为电能，由于能量利用率高达三成，与已知的发电装置产生的电能相比，燃料电池更清洁安全，允许在带少量负电荷工作的情况下进行文护，除排放少量可忽略不计的碳氧化物，有害排放物几乎没有。由此可见，从可持续性发展的角度看，燃料电池将是解决现有问题的重要途径。