YSZ粉體的制備與表征及其在燃料電池中的應(yīng)用.pdf

1、燃料電池是公認(rèn)的清潔、高效、有應(yīng)用潛力發(fā)電裝置，在目前全球能源短缺、污染嚴(yán)重的大環(huán)境下，開(kāi)發(fā)如燃料電池這樣具有潛力發(fā)電裝置將使人類(lèi)獲益無(wú)窮。固體氧化物燃料電池(SOFC)作為燃料電池的一個(gè)種類(lèi)，由于其本身所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，一直是研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的高溫SOFC所用的電解質(zhì)通常為厚膜的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)，由于YSZ電解質(zhì)氧離子電導(dǎo)率不夠高，該電池必須在高溫(900-1000℃)下操作，如此高的操作溫度給燃料電池的應(yīng)用帶來(lái)一系列問(wèn)題

2、，為促進(jìn)燃料電池商業(yè)化，中溫化成為燃料電池重要的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)燃料電池中溫化有兩條途徑，其一是電池部件的薄膜化，特別是電解質(zhì)層的薄膜化，以降低電池的內(nèi)阻，增大功率輸出。另外一條路線則是選擇在中溫條件下便具有足夠高電導(dǎo)率的新型電解質(zhì)材料。 鑒于此，本論文出發(fā)點(diǎn)就是利用甘氨酸法制備YSZ微粉，研究甘氨酸用量以及預(yù)燒溫度對(duì)粉體特性、燒結(jié)性能、電學(xué)性能等的影響，找出粉體的最佳制備條件，優(yōu)化YSZ的燒結(jié)性能以及電導(dǎo)率。進(jìn)一步利用微粉制備薄

3、膜化的YSZ電解質(zhì)，研究其在中溫燃料電池中的應(yīng)用。 第一章概述了SOFC的工作原理、發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵材料，特別分析了中溫SOFC電解質(zhì)材料的熱點(diǎn)研究問(wèn)題，提出了本論文研究的目標(biāo)和主要內(nèi)容。 關(guān)鍵材料的制備和電池制作方法是SOFC技術(shù)的基礎(chǔ)，對(duì)電極、電解質(zhì)以及電池進(jìn)行精確和有效的評(píng)價(jià)可以幫助我們選擇合適的材料和綜合評(píng)估SOFC的性能，因此第二章就本論文選擇的制備和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。制備粉體方法是甘氨酸-硝酸鹽法，電池制

4、作方法為共壓-共燒-絲網(wǎng)印刷工藝，表征方法有交流阻抗譜技術(shù)、X射線衍射(XRD)技術(shù)、等溫氮?dú)馕郊夹g(shù)(BET)、熱膨脹測(cè)試及掃描電子顯微鏡(SEM)等。 在論文第三章中采用甘氨酸-硝酸鹽法制備了高度分散，低團(tuán)聚的納米YSZ粉體，經(jīng)過(guò)600℃預(yù)燒后，YSZ晶粒的平均尺寸只有8 nm。在本論文中，我們制備了70％-120％化學(xué)計(jì)量比的甘氨酸用量的YSZ粉體。這些初級(jí)粉體經(jīng)過(guò)600℃以上溫度預(yù)燒后均以成立方相結(jié)構(gòu)，且粉體的晶粒尺寸隨

5、著甘氨酸用量以及預(yù)燒溫度的增加而增加。甘氨酸-硝酸鹽燃燒反應(yīng)的最高火焰溫度隨著甘氨酸用量的增加而增加。高的火焰溫度導(dǎo)致晶粒的進(jìn)一步生長(zhǎng)，從而獲得粉體低的比表面積。除此之外，YSZ粉體顆粒的形貌和燒結(jié)性能同樣受到甘氨酸用量的影響。甘氨酸用量越小，制備出的YSZ粉體更容易燒結(jié)致密化，結(jié)果，由這些粉體制各的YSZ燒結(jié)樣品具有最大的電導(dǎo)率。當(dāng)甘氨酸加入量為化學(xué)計(jì)量比的80％時(shí)，制備出的粉體經(jīng)過(guò)1400℃/5 h的燒結(jié)致密化后具有最大電導(dǎo)率，在8

6、00℃時(shí)達(dá)到0.027 S.cm<'-1>。由上述的甘氨酸-硝酸鹽法制備出的YSZ粉體，由于這種方法制備的粉體具有很低的堆積密度，從而利用干壓成型技術(shù)可以制備出YSZ致密的電解質(zhì)薄膜。在論文第四章中利用第三章中制備的具有很低的堆積密度的YSZ粉體，利用干壓成型技術(shù)制備出YSZ致密的電解質(zhì)薄膜。以700℃預(yù)燒粉體為原材料，用共壓共燒工藝制備薄膜型SOFC。以氫氣為燃料，700℃時(shí)，單電池功率密度為470 mW/cm<'2>。上述結(jié)果表明，