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燃料电池中温固体电解质材料研究

梁广川  
【摘要】:本文对复合掺杂的CeO_2和Bi_2O_3基中温固体氧化物电解质材料进行了系统的研究,阐明了多种掺杂对材料电学、力学性能和显微结构的影响,并在实验数据和理论分析基础上,优选了中温固体电解质组分。 过去CeO_2基电解质材料所需要的烧结温度较高。本研究发现:利用两种稀土氧化物(Sm_2O_3和Gd_2O_3)共同掺杂,可以使烧结温度由1550℃降低到1450℃,同时所需要的总掺杂量由单组分所需的10mol%降低到8mol%,大大改善了CeO_2基材料制备的工艺性能。对复合掺杂的CeO_2基电解质,随着烧结温度的提高,晶间玻璃相增多,导致电导率逐渐减小。 CeO_2基电解质材料的一个主要缺点是强度较低。实验发现,加入Al_2O_3可以显著增加CeO_2基材料的强度,原因是掺杂的Al_2O_3会在CeO_2中产生压缩性应力,阻碍裂纹的进一步扩展,另外,Al_2O_3分布在晶界处,将会导致裂纹偏转。最大弯曲强度对应的Al_2O_3添加剂量为3mol%。加入Al_2O_3还可以促进材料烧结,使烧结温度降低到1550℃以下,但会使CeO_2基电解质电导率下降。 添加ZrO_2也能提高CeO_2基电解质材料的强度,原因在于ZrO_2通过固溶和偏聚强化了晶界,使晶界结合紧密,从而使材料断裂由沿晶断裂为主变为穿晶断裂为主。添加ZrO_2还可以显著促进CeO_2基电解质的烧结,降低烧结温度,提高晶粒生长速率;但使材料的电导率降低,电导活化能增大,原因是ZrO_2的固溶使得CeO_2的晶格常数减小,氧离子跃迁势垒增大。 添加CaO可以显著提高CeO_2基电解质材料的相对密度,降低烧结温度,同时使材料的电导率降低,但电导率下降幅度比掺杂Al_2O_2和ZrO_2小得多。添加CaO超过20mol%时,有游离的CaO出现。当CaO含量较低时,可以将杂质原子转化为玻璃相,分布于三晶粒交界处,从而净化晶界,提高试样的烧结密度。 实验发现:在Bi_2O_3基电解质中掺入B_2O_3,可以起到抑制Bi_2O_3还原的作用。


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