固体氧化物燃料电池电解质材料的研究-材料学专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 摘要 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。 YSZ（Y2O3 稳定的 ZrO2）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 ZrO2）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 Y2O3 与 Al2O3 、Sc2O3 与 Al2O3、 Y2O3 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。 关键词：固体氧化物燃料电池；水热法；电解质；电导率；薄膜；纳米粉体 Abstract ABSTRACT Solid oxide fuel cell (SOFC) is a kind of green energy resource, and has many advantages of no corrosion, no leakage and fuel reforming in cell’s interior. The electrolyte is the key component of SOFC. Therefore, the performance of SOFC system is determined by the properties of the electrolyte. YSZ (Y2O3 stabled ZrO2) are usually used as the electrolyte material of SOFC because of high hot stability, chemistry stability, excellent mechanics function and pure oxygen ionic conduction in very wide oxygen partials. In this thesis, the YSZ nano-powder was synthesized by hydrothermal method. The influence of predecessor, precipitator, precipitator concentration, and mineralizer on properties of powder and sintered body are studied in details. The results show that the predecessor has a great influence on the crystal structure of YSZ powder, and the conductivity of YSZ is 0.034 S/cm at 800℃. SSZ (Sc2O3 stabled ZrO2) has a