YSZ粉體的制備與表征及其在燃料電池中的應用.pdf

1、燃料電池是公認的清潔、高效、有應用潛力發(fā)電裝置，在目前全球能源短缺、污染嚴重的大環(huán)境下，開發(fā)如燃料電池這樣具有潛力發(fā)電裝置將使人類獲益無窮。固體氧化物燃料電池(SOFC)作為燃料電池的一個種類，由于其本身所具有的獨特優(yōu)點，一直是研究的熱點。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用帶來一系列問題

2、，為促進燃料電池商業(yè)化，中溫化成為燃料電池重要的發(fā)展趨勢。實現(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率的新型電解質(zhì)材料。 鑒于此，本論文出發(fā)點就是利用甘氨酸法制備YSZ微粉，研究甘氨酸用量以及預燒溫度對粉體特性、燒結性能、電學性能等的影響，找出粉體的最佳制備條件，優(yōu)化YSZ的燒結性能以及電導率。進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用。 第一章概述了SOFC的工作原理、發(fā)展趨勢及關鍵材料，特別分析了中溫SOFC電解質(zhì)材料的熱點研究問題，提出了本論文研究的目標和主要內(nèi)容。 關鍵材料的制備和電池制作方法是SOFC技術的基礎，對電極、電解質(zhì)以及電池進行精確和有效的評價可以幫助我們選擇合適的材料和綜合評估SOFC的性能，因此第二章就本論文選擇的制備和評價方法進行詳細的介紹。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、X射線衍射(XRD)技術、等溫氮氣吸附技術(BET)、熱膨脹測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，低團聚的納米YSZ粉體，經(jīng)過600℃預燒后，YSZ晶粒的平均尺寸只有8 nm。在本論文中，我們制備了70％-120％化學計量比的甘氨酸用量的YSZ粉體。這些初級粉體經(jīng)過600℃以上溫度預燒后均以成立方相結構，且粉體的晶粒尺寸隨

5、著甘氨酸用量以及預燒溫度的增加而增加。甘氨酸-硝酸鹽燃燒反應的最高火焰溫度隨著甘氨酸用量的增加而增加。高的火焰溫度導致晶粒的進一步生長，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粉體更容易燒結致密化，結果，由這些粉體制各的YSZ燒結樣品具有最大的電導率。當甘氨酸加入量為化學計量比的80％時，制備出的粉體經(jīng)過1400℃/5 h的燒結致密化后具有最大電導率，在8

6、00℃時達到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，利用干壓成型技術制備出YSZ致密的電解質(zhì)薄膜。以700℃預燒粉體為原材料，用共壓共燒工藝制備薄膜型SOFC。以氫氣為燃料，700℃時，單電池功率密度為470 mW/cm<'2>。上述結果表明，