中溫（200-500℃）燃料電池（IT-FC）是未來(lái)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向。磷酸鹽質(zhì)子導(dǎo)體作為IT-FC電解質(zhì)的候選材料,因其較高的化學(xué)耐久性和質(zhì)子傳導(dǎo)能力而備受關(guān)注,但目前由于使用壽命過(guò)短尚未達(dá)到實(shí)用水平。本研究采用熔融淬火法制備了含堿土和稀土元素的磷酸鹽堿性玻璃,然后通過(guò)堿-質(zhì)子替換技術(shù)（Alkali Proton Substitution,下文簡(jiǎn)稱(chēng)APS）將玻璃中的Na⁺替換為H⁺,形成質(zhì)子導(dǎo)體。利用X射線(xiàn)衍射、掃描電子顯微鏡、X射線(xiàn)能量散射譜、拉曼光譜、紅外光譜等方法表征玻璃的微觀組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分,利用熱機(jī)械分析手段、變溫氣體分析系統(tǒng)和長(zhǎng)時(shí)間質(zhì)子傳導(dǎo)率測(cè)試表征玻璃的熱穩(wěn)定性及使用壽命。本文探索了稀土和堿土元素對(duì)質(zhì)子導(dǎo)體熱穩(wěn)定性的影響及成因。具體工作如下:1.以30NaO_1/2-57PO_5/2-7GdO_3/2-3GeO₂-3MgO玻璃樣品為研究對(duì)象,優(yōu)化了樣品處理參數(shù),優(yōu)化后的樣品參數(shù)為:玻璃樣品的厚度為0.5mm,電極為Pt電極,玻璃表面粗糙度約為R... 

【文章來(lái)源】：西安理工大學(xué)陜西省

【文章頁(yè)數(shù)】：68 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

質(zhì)子傳導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系曲線(xiàn)[5]

西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文6磷酸鹽玻璃是由磷氧四面體排列形成的聚合物結(jié)構(gòu)，與晶態(tài)五氧化二磷相同，磷酸鹽玻璃系統(tǒng)中，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本單元是由PO4構(gòu)成的，在四個(gè)磷氧鍵中，其中有一個(gè)鍵是雙鍵，這就導(dǎo)致了磷酸鹽玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是非對(duì)稱(chēng)的四面體結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示[32]。圖1-2磷酸鹽玻璃的結(jié)構(gòu)[32]Figure1-2Thestructureofphosphateglasses這特殊的玻璃結(jié)構(gòu)也使得磷酸鹽玻璃具有了其他氧化物玻璃不具有的特質(zhì)，比如可以摻雜進(jìn)入大量的網(wǎng)絡(luò)修飾離子，通過(guò)不同離子的摻雜，可以調(diào)節(jié)磷酸鹽玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，隨著網(wǎng)絡(luò)修飾離子在磷酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的含量增加，磷酸鹽玻璃會(huì)表現(xiàn)出更高的化學(xué)穩(wěn)定性。磷酸鹽玻璃可以通過(guò)用不同的離子摻雜組合方式使玻璃的穩(wěn)定性越來(lái)越高。玻璃中因?yàn)橹谱鞯臅r(shí)候原料和大氣中的水分混入，存在微量的質(zhì)子，形成OH基。質(zhì)子和堿離子一樣在玻璃中表示傳導(dǎo)性，其傳導(dǎo)度根據(jù)濃度和氫鍵的強(qiáng)度來(lái)決定。由于磷酸鹽玻璃等非架橋氧氣較多的組成中，質(zhì)子濃度和氫鍵強(qiáng)度較大，因此能夠得到較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。為此，正在進(jìn)行作為燃料電池用質(zhì)子傳導(dǎo)材料的實(shí)用化進(jìn)行研究[32-35]。摻雜之后的磷酸鹽玻璃的性能通常使用以下方式進(jìn)行表征，首先用鍍電極后質(zhì)子傳導(dǎo)率的高低來(lái)表示導(dǎo)電性?xún)?yōu)劣，再通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間質(zhì)子傳導(dǎo)率測(cè)試結(jié)合機(jī)械性能測(cè)試表征材料熱穩(wěn)定性，也就是使用壽命。1.4.2磷酸鹽玻璃質(zhì)子導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀磷酸鹽玻璃原本的質(zhì)子傳導(dǎo)率很低，Kawakuchi[36]等開(kāi)發(fā)了一種電暈放電處理的方法，在密閉空間中通入氫氣，對(duì)玻璃電極兩端施加高電壓，將氫氣電離，電離之后的質(zhì)子會(huì)沿著電位梯度移動(dòng)，侵入玻璃替換掉玻璃中的堿離子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，替換之前的質(zhì)子傳導(dǎo)率在460℃時(shí)為1.26107Scm-1，而替換之后質(zhì)子傳導(dǎo)率在251℃時(shí)就已經(jīng)達(dá)到

第1章緒論9磷酸鹽玻璃中的一價(jià)陽(yáng)離子替換成另一種一價(jià)陽(yáng)離子，我們可以利用此特征，開(kāi)發(fā)一種質(zhì)子注入法，名為堿-質(zhì)子替換法（APS）[51]。堿-質(zhì)子替換法（APS）是由北海道大學(xué)西井研究室和日本東北大學(xué)小俁研究室共同開(kāi)發(fā)的一種技術(shù)。這是通過(guò)在氫氣氣氛下對(duì)磷酸鹽玻璃施加直流電壓，將磷酸鹽玻璃中的堿離子替換為質(zhì)子，使玻璃中質(zhì)子濃度增大的方法，置換原理如圖1-3所示[45]。因此，通過(guò)對(duì)含有高濃度的堿離子的置換，能夠獲得高質(zhì)子濃度，置換之后如圖1-4所示[45]。圖1-3APS置換原理圖[45]Figure1-3APSreplacementprinciple圖1-4APS置換之后的結(jié)構(gòu)圖[45]Figure1-4StructuraldiagramafterAPSreplacementAPS處理可以通過(guò)提高原始磷酸鹽中Na+的含量，然后將其全部置換為H+從而提高質(zhì)子導(dǎo)體的質(zhì)子傳導(dǎo)率，是一種高效的提高質(zhì)子濃度的手段。因此，本次研究的磷酸鹽玻璃質(zhì)子導(dǎo)體的制備方法使用APS替換法。1.6本論文的研究目的磷酸鹽玻璃質(zhì)子導(dǎo)體作為中溫燃料電池電解質(zhì)材料優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)其的研究還不完善，未能達(dá)到實(shí)用水平。目前本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)系統(tǒng)的研究了含堿離子濃度為25%、30%、35%的磷酸鹽玻璃的性能，并通過(guò)堿-質(zhì)子替換法（APS）成功將Na+替換成H+。其中含堿離子濃度為35%的樣品質(zhì)子傳導(dǎo)率較高，接近102Scm-1，但是使用壽命很短，在中溫測(cè)試溫度300℃下不超過(guò)100h質(zhì)子傳導(dǎo)率就急劇下降，這對(duì)于實(shí)用水平來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，本研究嘗試對(duì)含堿離子濃度為35%的樣品的組成成分進(jìn)行改進(jìn)，從而提高質(zhì)子導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性即使用壽命。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)及研究進(jìn)展[J]. 蔣清梅.  山東化工. 2017(22)
[2]氫燃料電池的研究進(jìn)展[J]. 胡慶松.  汽車(chē)實(shí)用技術(shù). 2017(21)
[3]燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 侯明,衣寶廉.  電化學(xué). 2012(01)
[4]堿金屬氧化物對(duì)MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃析晶和性能的影響[J]. 盧安賢,王宇,肖卓豪.  中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2008(01)
[5]燃料電池的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和進(jìn)展[J]. 趙國(guó)方.  江蘇化工. 1994(01)

碩士論文
[1]新型氟磷酸鹽全固態(tài)鈉離子電解質(zhì)的制備及其性能研究[D]. 倪藝文.南京郵電大學(xué) 2016
[2]Pechini法制備（類(lèi)）鈣鈦礦復(fù)合氧化物及表征[D]. 徐文泱.中南大學(xué) 2010
[3]用于DIR-MCFC中甲烷重整催化劑的初步研究[D]. 羅旭.大連理工大學(xué) 2009



本文編號(hào)：3240304