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质子导体电解质BaZr_(0.1)Ce_(0.7)Y_(0.2)O_3的制备和性能研究

关波

   具有钙钛矿结构的质子导体以其较高的离子电导率和质子迁移数以及较低的导电活化能等优点成为中温固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质材料的研究热点。本课题以BaZr_(0.1)Ce_(0.7)Y_(0.2)O_(3–δ)(BZCY)质子导体作为电解质材料,通过ZnO掺杂改善其烧结和电导性能,并将其应用于单电池中。 采用溶胶凝胶法成功制备了具有钙钛矿结构的BZCY质子导体。对样品在不同温度下的电导率进行测试,发现BZCY在中低温区电导率较高,700℃时即达到~0.039S/cm。对电导率进行Arrhenius关系拟合,发现在500~650℃,650~750℃两个温度区间样品的活化能分别为67.68和89.23 kJ/mol,证明BZCY在中低温区有优良的导电性能。 样品的烧结性能测试表明BZCY在温度为1073℃时刚开始烧结,而温度达到1400℃时烧结仍没有结束。同时,SEM测试显示在1300℃下煅烧6h的样品烧结情况仍然较差。采用ZnO作助烧剂改善BZCY的烧结性能,研究了不同掺杂含量及不同引入方式的ZnO对样品烧结性能的影响。结果表明,ZnO以粉末直接混合形式掺入BZCY时,掺杂量达到2mol%后,样品的烧结性能即有明显的改善,其初始烧结温度降为~900℃。而样品电导率则在掺杂量为4mol%时取得最大值。ZnO以Zn(NO_3)_2热分解形式掺入BZCY时,样品的导电率及烧结性能还能得到进一步提高。 制备并测试了以BZCY为电解质的单电池。研究了旋涂、干压和喷压三种制备工艺对单电池性能的影响,发现旋涂法制备的电解质厚度较小(~17μm),但粉体初始堆积密度低,电解质难以烧结致密,不但单电池开路电压较低,而且欧姆阻抗偏大。电池在650和700℃的最大功率密度分别为125和220mW/cm~2。以干压法制备电解质时,BZCY粉体初始堆积密度较高,电解质易烧结致密,电池的开路电压接近理论值,但厚度较大(40~60μm),且各处厚薄不均,电池欧姆阻抗较大。650和700℃时,电池的最大功率密度分别为165和212mW/cm~2。喷压法制备BZCY电解质的工艺为本文率先提出:先将BZCY悬浊液喷涂在阳极上,得到厚度较小且分布均匀的BZCY薄层,然后加压提高其堆积密度。该方法制备的电解质厚度较小,薄厚均匀。电池开路电压较高,欧姆电阻较小。单电池在650和700℃最大功率密度分别达到375和527mW/cm~2,较前两种工艺有明显提升。 总之,本文通过对ZnO助烧的研究,有效降低了BZCY的烧结温度,改善了BZCY的烧结性能。并且研究了旋涂、干压和喷压三种制备工艺对电池性能的影响,发现喷压法制得的电解质厚度小,烧结致密度高,单电池获得了最佳的输出性能。……   
[关键词]:质子导体;烧结致密度;喷压法;BaZr_(0.1)Ce_(0.7)Y_(0.2)O_(3–δ)薄膜
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:哈尔滨工业大学2010年
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