微波烧结法工艺参数对电解质微观结构的影响【字数：9286】
摘 要在燃料电池电解质的制备过程中，一般采用传统烧结的方法。微波烧结工艺作为一种新型烧结方法，以其升温速率快，加热均匀以及温度易于控制等优点，越来越受到研究者的青睐。本文选用氧化钐掺杂氧化铈（SDC）作为电解质材料，通过调节烧结温度、升温速率和保温时间来探究其对电解质微观结构的影响。实验结果表明较高的烧结温度，较低的升温速率和较长的保温时间有利于电解质陶瓷晶粒的生长，明显减少电解质内部的气孔率，提高了样品的致密性。
目 录
1绪论 1
1.1引言 1
1.2固体氧化物燃料电池（SOFC） 1
1.3固体氧化物燃料电池电解质烧结方法 3
1.3.1常规烧结工艺 3
1.3.2微波烧结工艺 3
1.4 本课题研究的内容和意义 4
2实验方法与原理 6
2.1实验药品与仪器 6
2.1.1实验药品 6
2.1.2 实验仪器 6
2.2实验粉末Ce0.8Sm0.2O1.9的制备和烧结 6
2.2.1实验计算 6
2.2.2粉末制备 7
2.3 实验方法与表征方法 8
2.3.1实验方法 8
2.3.2表征方法 9
3实验结果和数据分析 10
3.1 XRD分析 10
3.2 SEM分析 10
3.2.1不同保温时间 10
3.2.2 不同升温速率 12
3.2.3不同烧结温度 13
3.3数据分析 14
4结论 16
参考文献 17
致谢 18
1 绪论
1.1引言
化石燃料是由碳氢化合物及其衍生物组成的，石油、煤炭、天然气以及近几年新发现的可燃冰都属于化石燃料。化石燃料本质上是动物或植物等有机化合物在地下上千年的高温高压的条件下，发生了一系列的化学反应转化成为这些可燃的碳氢化合物。所以这些化石燃料都是有限的、不可再生的。但是随着第一次工业革命的开始，工业的快速发展对于化石燃料的需求却与日俱增。2015年，仅中国就消耗了397014万吨的煤炭 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
、54088万吨的原油以及1931亿立方米的天然气[1]。化石燃料燃烧释放能量的同时也排放了大量的二氧化碳和有害气体，并且也是PM2.5超标的重要原因。虽然化石燃料的弊端相当之多，但目前为止也没有出现一种真正可以替换化石燃料的能源。核能、太阳能、风能、潮汐能等一系列可再生能源也存在着诸多的问题，无法全方位的替代化石燃料。所以当前能源的主流还将是化石燃料，但是目前化石燃料的使用方法还是直接燃烧来获得能量。这种方法的能量转化效率并不高，而且会产生大量的有害气体，固体氧化物燃料的出现弥补这方面的缺点。
1.2固体氧化物燃料电池（SOFC）
固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，简称：SOFC）是一种电化学转换设备，能够将燃料内的化学能转换为电能。固体氧化物燃料电池（SOFC）的工作原理如图1.1
图1.1不同类型固体氧化物燃料电池的示意图[3]
（a）氧离子传导型SOFC和（b）氢离子传导型SOFC
固体氧化物燃料电池和其他类型的燃料电池最大的不同就是它使用的是固体材料作为电解质。使用固体电解质就解决了在实际的应用中电解质对电池腐蚀的问题，而且电池的阳极和阴极多数为陶瓷材料，使整个电池具有全固态的结构。相比于其他类型的燃料电池，此类燃料电池的优点包括高效率，长期稳定性，燃料适应性多元，低排放。并且成本相对较低。但缺点也很明显，高温的操作温度导致更长的启动时间以及机械和化学相容性的问题[2]。固体氧化物燃料电池的性能与电池的电解质材料有着紧密的联系，所以电解质材料的类型也是目前固体氧化物燃料电池的研究热点之一。
首先我们介绍氧离子传导型SOFC，如图（a）所示。顾名思义在其电解质中传导的就是氧离子。当氧气到达阴极时，氧原子会在阴极被还原成为正二价的氧离子。氧离子在两侧氧离子浓度梯度的作用下通过阳极和阴极之间的固体电解质中的氧空位进行移动最终到达阳极，与阳极的燃料进行反应。在此过程中会释放电子，电子会通过外电路最终到达阴极，并在途中驱动用电器进行工作。以氢气作为燃料为例，可以写出下列的化学反应式：
阴极：
????
2
+4
????
?
→2
????
2?
（11）
阳极： 2
????
2
+2
????
2?
→2
????
2
????+4
????
?
（12）
总反应方程式： 2
????
2
+
????
2
→2
????
2
???? （13）
另外一种SOFC其电解质传导的并不是氧离子而是氢离子，如图（b）所示，其内部传导的是氢离子。即当氢气通入阳极之后，被氧化成为氢离子，氢离子通过电解质到达了阴极，与阴极的氧气和从外电路到达的电子结合生成了水。在整个过程中会释放出电子，电子通过外电路到达阴极，并且在途中驱动用电器工作，由原理可知目前该类型的电池燃料只能是氢气。由此，可以写出以下化学反应方程式：
目 录
1绪论 1
1.1引言 1
1.2固体氧化物燃料电池（SOFC） 1
1.3固体氧化物燃料电池电解质烧结方法 3
1.3.1常规烧结工艺 3
1.3.2微波烧结工艺 3
1.4 本课题研究的内容和意义 4
2实验方法与原理 6
2.1实验药品与仪器 6
2.1.1实验药品 6
2.1.2 实验仪器 6
2.2实验粉末Ce0.8Sm0.2O1.9的制备和烧结 6
2.2.1实验计算 6
2.2.2粉末制备 7
2.3 实验方法与表征方法 8
2.3.1实验方法 8
2.3.2表征方法 9
3实验结果和数据分析 10
3.1 XRD分析 10
3.2 SEM分析 10
3.2.1不同保温时间 10
3.2.2 不同升温速率 12
3.2.3不同烧结温度 13
3.3数据分析 14
4结论 16
参考文献 17
致谢 18
1 绪论
1.1引言
化石燃料是由碳氢化合物及其衍生物组成的，石油、煤炭、天然气以及近几年新发现的可燃冰都属于化石燃料。化石燃料本质上是动物或植物等有机化合物在地下上千年的高温高压的条件下，发生了一系列的化学反应转化成为这些可燃的碳氢化合物。所以这些化石燃料都是有限的、不可再生的。但是随着第一次工业革命的开始，工业的快速发展对于化石燃料的需求却与日俱增。2015年，仅中国就消耗了397014万吨的煤炭 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
、54088万吨的原油以及1931亿立方米的天然气[1]。化石燃料燃烧释放能量的同时也排放了大量的二氧化碳和有害气体，并且也是PM2.5超标的重要原因。虽然化石燃料的弊端相当之多，但目前为止也没有出现一种真正可以替换化石燃料的能源。核能、太阳能、风能、潮汐能等一系列可再生能源也存在着诸多的问题，无法全方位的替代化石燃料。所以当前能源的主流还将是化石燃料，但是目前化石燃料的使用方法还是直接燃烧来获得能量。这种方法的能量转化效率并不高，而且会产生大量的有害气体，固体氧化物燃料的出现弥补这方面的缺点。
1.2固体氧化物燃料电池（SOFC）
固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，简称：SOFC）是一种电化学转换设备，能够将燃料内的化学能转换为电能。固体氧化物燃料电池（SOFC）的工作原理如图1.1
图1.1不同类型固体氧化物燃料电池的示意图[3]
（a）氧离子传导型SOFC和（b）氢离子传导型SOFC
固体氧化物燃料电池和其他类型的燃料电池最大的不同就是它使用的是固体材料作为电解质。使用固体电解质就解决了在实际的应用中电解质对电池腐蚀的问题，而且电池的阳极和阴极多数为陶瓷材料，使整个电池具有全固态的结构。相比于其他类型的燃料电池，此类燃料电池的优点包括高效率，长期稳定性，燃料适应性多元，低排放。并且成本相对较低。但缺点也很明显，高温的操作温度导致更长的启动时间以及机械和化学相容性的问题[2]。固体氧化物燃料电池的性能与电池的电解质材料有着紧密的联系，所以电解质材料的类型也是目前固体氧化物燃料电池的研究热点之一。
首先我们介绍氧离子传导型SOFC，如图（a）所示。顾名思义在其电解质中传导的就是氧离子。当氧气到达阴极时，氧原子会在阴极被还原成为正二价的氧离子。氧离子在两侧氧离子浓度梯度的作用下通过阳极和阴极之间的固体电解质中的氧空位进行移动最终到达阳极，与阳极的燃料进行反应。在此过程中会释放电子，电子会通过外电路最终到达阴极，并在途中驱动用电器进行工作。以氢气作为燃料为例，可以写出下列的化学反应式：
阴极：
????
2
+4
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→2
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2?
（11）
阳极： 2
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2
+2
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2?
→2
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2
????+4
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（12）
总反应方程式： 2
????
2
+
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2
→2
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2
???? （13）
另外一种SOFC其电解质传导的并不是氧离子而是氢离子，如图（b）所示，其内部传导的是氢离子。即当氢气通入阳极之后，被氧化成为氢离子，氢离子通过电解质到达了阴极，与阴极的氧气和从外电路到达的电子结合生成了水。在整个过程中会释放出电子，电子通过外电路到达阴极，并且在途中驱动用电器工作，由原理可知目前该类型的电池燃料只能是氢气。由此，可以写出以下化学反应方程式：
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