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固体氧化物燃料电池电解质材料的研究

周贤界  
【摘要】: 固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种绿色能源装置,以其具有无腐蚀、无泄漏且可在内部完成燃料重整处理等优点而倍受关注。作为SOFC核心组件的电解质,其性能的优劣很大程度上决定了SOFC的整体性能。[0] YSZ(Y_2O_3稳定的ZrO_2)具有卓越的热稳定性和化学稳定性、优异的力学性能以及在较宽的氧分压范围内呈现纯氧离子导电特性等优点,是SOFC最常用的电解质材料之一。本文采用水热法合成YSZ纳米粉体,研究了不同状态的水热前驱物,不同种类和浓度的沉淀剂对粉体和烧结体性能的影响。结果表明:水热法可以制备优良的YSZ粉体,水热前驱物状态对YSZ晶型影响很大,水热法制备的YSZ材料电导率800℃可达0.034 S/cm。 SSZ(Sc2O3稳定的ZrO_2)中低温下具有很高的电导率,在SOFC中温化进程中具有很大的开发前景。本文系统地考察了水热制备过程中各工艺条件以及烧结温度对SSZ微观结构、晶型与性能的影响。结果表明:以NaOH作为沉淀剂,可以合成粒径为6~9nm的单分散球形SSZ粉体,1500℃的烧结后陶瓷烧结体致密度达97.3%;8SSZ的电导率900℃为0.23S/cm、800℃为0.13S/cm,性能优于存在β相的10SSZ和12SSZ。 在单元掺杂基础上,对Y_2O_3与Al2O3、Sc2O3与Al2O3、Y_2O_3与Sc2O3二元复合掺杂进行了对比研究。研究发现,在YSZ和SSZ系统中掺入Al2O3以后,粉体粒径变小,松装密度增大,煅烧后有轻度软团聚,其烧结性能和力学性能得到提高,但其电学性能有所降低。SSZA材料断裂强度达到265.50MPa,但其900℃时电导率略低于SSZ,为0.185 S/cm;YSSZ体系的电性能和力学性能介于YSZ和SSZ之间。 此外,还对SSZ的成膜工艺、烧结性能和电性能进行了研究。结果表明:改进干压工艺制备SSZ薄膜,操作简单、成膜效率高,800℃时电导率测试达0.0981S/cm,但电解质层膜与阳极易发生剥脱;水热法制备SSZ薄膜,800℃电导率时达0.071S/cm,与阳极结合良好,所得膜厚度在10~50μm之间,其电导活化能低于烧结体材料和干压法制备的膜材料。


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