ysz粉体的制备与表征及其在燃料电池中的应用

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1、中国科学技术大学硪士论文摘要燃料电池是公认的清洁、高效、有应用潜力发电装置，在目前全球能源短缺、污染严重的大环境下，开发如燃料电池这样具有潜力发电装置将使人类获益无穷。固体氧化物燃料电池(SOFC)作为燃料电池的一个种类，由于其本身所具有的独特优点，一直是研究的热点。传统的高温SOFC所用的电解质通常为厚膜的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，由于YSZ电解质氧离子电导率不够高，该电池必须在高温(900一1000"C)下操作，如此高的操作温度给燃料电池的应用带来一系列问题，为促进燃料电池商业化，中温化成为燃料电池重要的发展趋势。实现燃料电池中

2、温化有两条途径，其一是电池部件的薄膜化，特别是电解质层的薄膜化，以降低电池的内阻，增大功率输出。另外一条路线则是选择在中温条件下便具有足够高电导率的新型电解质材料。鉴于此，本论文出发点就是利用甘氨酸法制备YSZ微粉，研究甘氨酸用量以及预烧温度对粉体特性、烧结性能、电学性能等的影响，找出粉体的最佳制备条件，优化YSZ的烧结性能以及电导率。迸一步利用微粉制备薄膜化的YSZ电解质，研究其在中温燃料电池中的应用。第一章概述了SOFC的工作原理、发展趋势及关键材料，特别分析了中温SOFC电解质材料的热点研究问韪，提出了本论文研究的目标和主要内容。

3、关键材料的制备和电池制作方法是SOFC技术的基础，对电极、电解质以及电池进行精确和有效的评价可以帮助我们选择合适的材料和综合评估SOFC的性能，因此第二章就本论文选择的制备和评价方法进行详细的介绍。制备粉体方法是甘氨酸．硝酸盐法，电池制作方法为共压-共烧．丝网印刷工艺，表征方法有交流阻抗谱技术、x射线衍射(Xedg)技术、等温氯气吸附技术(SET)、热膨胀测试及扫描电子显微qX(SEM)等。在论文第三章中采用甘氨酸一硝酸盐法制备了高度分散，低团聚的纳米YSZ粉体，经过600℃预烧后，YSZ晶粒的平均尺寸只有8"nnl。在本论文中，我们制

4、备了70％一120％化学计量比的甘氨酸用量的YSZ粉体。这些初级粉体经过中国科学拄术大学硕士论文600℃以上温度预烧后均以成立方相结葙，且粉体的晶粒尺寸随着甘氨酸用量以及预烧温度的增加而增加。甘氨酸一硝酸盐燃烧反应的最高火焰温度随着甘氨酸用量的增加而增加。高的火焰温度导致晶粒的进一步生长，从而获得粉体低的比表面积。除此之外，YSZ粉体颗粒的形貌和烧结性能同样受到甘氢酸用量的影响。甘氨酸用量越小，制各出的YSZ粉体更容易烧结致密化，结果，由这些粉体制备的YSZ烧结样品具有最大的电导率。当甘氨酸加入量为化学计量比的80％时，制备出的粉体经过

5、1400。C／5h的烧结致密化后具有最大电导率，在800℃时达到O，027S．cm一。由上述的甘氨酸一硝酸盐法制各出的YSZ粉体，由于这种方法制备的粉体具有很低的堆积密度，从而利用干压成型技术可以制各出YSZ致密的电解质薄膜。在论文第四章中利用第三章中制备的具有很低的堆积密度的YSZ粉体，利用于压成型技术制各出YSZ致密的电解质薄膜。以700℃预烧粉体为原材料，用共压共烧工艺制备薄膜型SOFC。以氢气为燃料，700℃时，单电池功率密度为470mW／cm2。上述结果表明，通过对YSZ制备工艺的优化和电解质薄膜化，可以降低SOFC的工作温度

6、。n中国科学技术大学颐士论空摘要AbstractEnergyconversionusingfuelcellsfits)isahiglllyefficientandenvironmentallyfriendlytechnologyhavinglowemissionsofNOx，dust，andnoise．InadditionSOFCsofferfuelflexibility(naturalgas，coalgas，hydrogenandetc．)．Solidstateoxidefuelcells(SOFCs)，akindoffuelcell

7、，haveshowngoodappliedprospectasitownuniquecharacters。InconventionalSOFCs，theelectrolyteisaceramicoxide，normallyymiastabilizedzircania(YSZ)，withathicknessofabout200ttrn．Thecellsfabricatedwiththeseelectrolytesareoperatedat1000"Cormoreinordertoattainreasonablepowerdensity．M

8、aterialproblemsussociatedwithhi【glISOFCsoperatingtemperature0000"c)，includingelectrodesintering，iuteffa