SOFC的YSZ/GDC电解质粉体的烧结与LSCF阴极粉体的制备

摘要

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种将化学能直接转换成电能的电化学装置，它具有高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等优点。8YSZ(8mol％Y2O3稳定的 ZrO2)和 Gd2O3掺杂的 CeO2(Gadolinia Doped Ceria，简称 GDC)由于具有较高的离子电导率、极低的电子迁移数、良好的化学及热稳定性、容易制造加工等优点，因此常用做 SOFC的电解质材料。SOFC中低温化是该项技术的必然发展趋势，这就对 SOFC材料有了更高的要求，而固体氧化物燃料电池总的损耗主要是由电解质的欧姆阻抗和阴极的极化阻抗所引起，因此制备高性能的 SOFC电解质和阴极材料有利于促进中低温 SOFC的发展。
　　本文研究了氧化钇全稳定氧化锆(8YSZ)纳米粉体的烧结工艺，探讨了纳米粉体烧结的致密化过程，分析了烧结工艺对致密度和晶粒大小的影响。研究结果表明，8YSZ纳米粉体常压烧结温度为1500℃，保温时间为4h，得到吸水率为0.13%，相对密度为98.64%，晶粒尺寸为5.84?m的8YSZ电解质。
　　GDC粉体的粒径对电解质的烧结致密度具有直接的影响，本文分别采用两种不同颗粒尺寸的 GDC粉体（D50=9.0μm，深圳某公司；D50=32.0μm，宁波 SOFCMAN）制备电解质，研究了电解质的烧结性能。研究结果表明， D50=9.0μm的 GDC粉颗粒不均匀，有团聚体，经1000℃预烧，然后造粒、压片，1400℃保温4h烧结，获得 GDC电解质的吸水率为0.05%，显气孔率为0.36%，体积密度为7.088 g/cm3，相对密度为98.06%，收缩率为16.13%，烧结最致密；而 D50=32.0μm的 GDC粉粒度分布较宽，试片的烧结温度高，烧成收缩小，孔隙率大，烧结不致密，通过400RPM，球磨6h后的粉体造粒、压片，1500℃保温4h烧结，获得 GDC电解质的吸水率为0.09%，显气孔率为0.60%，体积密度为7.005 g/cm3，相对密度为96.91%，收缩率为14.27%，烧结最致密。
　　采用微波辅助溶胶凝胶法制备了 LSCF粉体，通过 TG-DTA、XRD、SEM和 EDS分析，得出 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ粉体颗粒尺寸在80~100nm之间。该纳米粉体的显微结构由大部分的片状和少量的多孔中空管状结构组成，以此 LSCF粉体构建的 SOFC阴极使得阴极三相界面的长度增加，阴极活化反应的区域增大，有利于提高阴极的电性能。

目录

声明

1 文献综述

1.1 燃料电池

1.2 固体氧化物燃料电池

1.3 微波辅助溶胶凝胶法合成纳米材料

1.4 本论文的研究内容及意义

2 实验材料及测试方法

2.1实验原料

2.2实验仪器与设备

2.3 实验样品的制备

2.4 性能表征

3 8YSZ纳米粉体的烧结性能

3.1 实验

3.2 8YSZ纳米粉体的形貌表征

3.3 烧结试样的吸水率和体积密度

3.4 烧结试样的显微结构及晶粒尺寸

3.5 本章小结

4 两种不同形貌 GDC粉体的烧结特性

4.1 GDC粉体的预处理

4.2 GDC电解质片的制备

4.3 预烧温度对深圳 GDC粉体烧结性能的影响

4.4 烧结温度对 2种 GDC粉体性能的影响

4.5 两种不同形貌 GDC粉体的粒度分布

4.6 两种不同形貌 GDC粉体的 XRD

4.7 本章小结

5 微波辅助溶胶凝胶法合成 LSCF粉体

5.1 样品的制备

5.2 样品的 TG-DTA分析

5.3 样品的 XRD分析

5.4 样品的形貌与能谱分析

5.5 本章小结

结论

致谢

参考文献