BZCYYb质子型电解质制备与性能研究

作     者：仲昭宇 

作者单位：山东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙海滨

授予年度：2023年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：固体氧化物燃料电池 质子导体电解质 微波烧结 室温固相法 晶界电导 

摘      要：质子型固体氧化物燃料电池(H-SOFCs)具有质子电导率高、电导活化能低等优点,是一种极具应用前景的中低温能量转换装置。电解质作为固体氧化物燃料电池的重要组成部分,其电学性能决定了电池性能的高低。BaZrCeYYbO(BZCYYb)被视为一种较理想的质子导体电解质材料,但其烧结性能差,过高的烧成温度易导致Ba元素挥发和YO/YbO偏析,进而导致电学性能降低。此外,其晶界电导机制尚不明确。为了解决上述问题,本论文围绕BZCYYb电解质的低温化烧结、Ba元素补偿和晶界电导机制开展了一系列研究。主要研究内容及结论如下:(1)采用微波烧结工艺制备BZCYYb电解质,利用微波烧结活化能低的优势降低烧成温度,研究了电解质的烧结性能、物相组成、电学性能与电池性能。结果表明,微波烧结有效改善了BZCYYb电解质的烧结性能,相比于传统烧结,烧成温度由1550℃降至1400℃,保温时间由10 h降至2 h,晶粒生长得到促进(～4μm);Ba元素挥发和YO/YbO偏析均得到有效抑制;总电导率、晶粒电导率、晶界电导率均有较大提升,700℃湿空气测试条件的总电导率为3.8×10 S cm,相较于传统烧结,晶粒电导率提高40%,晶界电导率提高1个数量级;采用该电解质制备的阳极支撑单电池在700℃的峰值功率密度为0.64 W cm。(2)采用改进的室温固相法合成高活性BZCYYb纳米粉体,通过提高粉体烧结活性降低电解质的烧成温度,研究了粉体特性、电解质的烧结性能、电学性能以及电池性能。结果表明,采用该方法可在较低的煅烧温度(950℃)和较短的保温时间(3 h)获得纯相BZCYYb纳米粉体,相较于传统固相法,煅烧温度降低250℃,保温时间降低30 h以上;其高活性特性使电解质的烧成温度从1550℃降至1450℃,Ba元素挥发和YO/YbO偏析均得到有效抑制;700℃湿空气测试条件的总电导率为2.6×10 S cm,基于空间电荷层分析,电学性能的提高主要归因于空间电荷势Δφ(0)的降低和杂质阻塞因子ω/dg的提高;采用该电解质制备的阳极支撑单电池在700℃的峰值功率密度为0.54 W cm。(3)采用元素补偿策略制备符合化学计量比的大晶粒BZCYYb电解质,研究了Ba元素补偿对物相组成、微观形貌、电学性能以及电池性能的影响。结果表明,Ba元素补偿能够有效解决烧结过程中Ba元素挥发和YO/YbO偏析问题,并能够有效促进晶粒生长,电解质的平均晶粒尺寸约为5.29μm;700℃湿空气测试条件的总电导率为2.7×10 S cm,相对于未经元素补偿的电解质,提高约60%;通过构建质子在晶粒间传输的模型,从晶粒与晶界两方面解释了电学性能提升的原因,晶粒电导率的提高归因于Ba元素补偿电解质具有更高比例的钙钛矿相,为质子传输提供更多通道,晶界电导率的提高归因于晶界空间电荷势更低,因而在晶界核处具有更高的质子浓度;采用该电解质制备的阳极支撑单电池在700℃的峰值功率密度为0.65 W cm。