LaNbO4增韌固體氧化物燃料電池陽極支撐體NiO-Y2O3穩(wěn)定的ZrO2的研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種將化石或碳氫燃料轉(zhuǎn)換成清潔電能的新興技術(shù)，在可攜帶式電源、交通工具、分布式發(fā)電廠和集中式發(fā)電廠等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在多種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的SOFC中，平板式SOFC由于制備成本低廉、功率密度高而更加受到青睞，是最具有商業(yè)化應(yīng)用前景的SOFC類型。在陽極支撐平板式SOFC中，Ni-YSZ（Y2O3穩(wěn)定的ZrO2）金屬陶瓷是目前最常用的陽極材料，它通常是由室溫的NiO-YSZ陶瓷復(fù)合材料在還原氣氛的電堆

2、運行過程中還原而得。然而，當電堆裝配時，電池的支撐體是NiO-YSZ復(fù)合陶瓷而不是Ni-YSZ金屬陶瓷。與其他陶瓷材料一樣，NiO-YSZ復(fù)合陶瓷有著固有的脆性，易斷裂。因此，它作為陽極支撐體面臨的問題是在電堆組裝過程中的壓力荷載易導(dǎo)致單電池破裂，從而導(dǎo)致燃料和氧化氣體互串、電池失效、電堆性能衰減等的情況的發(fā)生。為了解決上述問題，本文研究選用LaNbO4作為增韌的第二相材料添加到NiO-YSZ中，用來提高在室溫中電池裝配時陽極支撐體的斷

3、裂韌性。因為LaNbO4是一種鐵彈材料，室溫中單斜相的LaNbO4存在著兩個不同晶體取向的疇結(jié)構(gòu)，它們是被以{204}I/{402}II晶面族上的晶面分界隔開的。并且其疇界具有很高的移動性，在外應(yīng)力的作用下能發(fā)生疇結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換，這一機制有可能增韌陶瓷。本文為此展開了以下幾個方面的研究工作：LaNbO4粉末的制備與表征；LaNbO4與NiO-YSZ化學相容性分析；LaNbO4-NiO-YSZ復(fù)合陶瓷機械性能測定；LaNbO4在復(fù)合陶瓷中

4、的疇轉(zhuǎn)增韌機理探討；多孔LaNbO4-NiO-YSZ陽極支撐體導(dǎo)電、力學和熱膨脹性能評估與優(yōu)化。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用固相合成法制備LaNbO4晶體，經(jīng)過48小時球磨可得平均粒徑大約是1.5μm，粒徑分布均勻的LaNbO4粉體。⑵LaNbO4，NiO和YSZ晶粒均勻分布在復(fù)合陶瓷中，其微觀結(jié)構(gòu)因LaNbO4含量的增加被細化。而且它們化學相容性好并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在常壓下1500℃燒結(jié)6小時后沒有新相生成。⑶LaNbO4的加入

5、對LaNbO4-NiO-YSZ復(fù)合陶瓷燒結(jié)性能基本無影響。盡管LaNbO4的添加會使復(fù)合陶瓷的硬度和彈性模量減小，但復(fù)合陶瓷的斷裂強度大小不隨LaNbO4的加入而發(fā)生太大改變，而是由其內(nèi)部隨機出現(xiàn)的缺陷尺寸所決定的。⑷NiO-YSZ復(fù)合陶瓷加入LaNbO4后，其斷裂韌性隨著LaNbO4含量的增加而增加。對于LaNbO4含量為30wt％的復(fù)合陶瓷，其斷裂韌性KIC為3.1MPam1/2，較NiO-YSZ提高了42%。增韌效應(yīng)主要來自于微觀

6、結(jié)構(gòu)中晶粒的細化作用、斷裂模式改變導(dǎo)致裂紋偏轉(zhuǎn)以及單斜相LaNbO4疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。⑸采用透射電鏡原位拉伸的方式，觀察到LaNbO4-NiO-YSZ復(fù)合陶瓷中LaNbO4內(nèi)部疇結(jié)構(gòu)的形貌在受力前后有著明顯的變化；其疇轉(zhuǎn)換的驅(qū)動力來源于兩種不同取向的疇域之間的吉布斯自由能差。LaNbO4的疇轉(zhuǎn)換增韌機理是通過疇結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換松弛積聚在裂紋尖端的應(yīng)力，阻礙了裂紋的擴展，從而提高了復(fù)合陶瓷的斷裂韌性。⑹多孔陽極支撐體LaNbO4-NiO-YSZ（LN