多孔阳极支撑体Ni／YSZ的性能研究.PDF

D19 多孔阳极支撑体Ni/YSZ的性能研究 杨景东，贺天民，，王金霞，裴 力，纪 媛，刘江 (吉林大学物理学院，吉林 长春 130023) 摘要:本文以淀粉为成孔剂，在 14000C烧结 10h制备出多孔NiO/YSZ样品，在氢气气氛 卜将其还原 获得了多孔阳极支撑体Ni/YSZ.用X射线衍射方法对还原前后样品的物相成分进行了分析，用交流 阻抗谱和热膨胀仪研究了还原前后样品的电学性质和热膨胀系数。研究结果表明，NiO/YSZ样品在氢 气气氛 卜850C还原30min,NiO可以完全还原成金属Ni。成孔剂含量在5-9%的范围内，可获得孔隙 率为30-35%的Ni/YSZ阳极支撑体。含有9%淀粉的NiO/YSZ样品还原温度的01值温度为3150C，当 温度达到315℃时，NiO/YSZ样品迅速还原，还原过程在10分钟内完成。在30-10000C温度范围内， Ni/YSZ样品的热膨胀系数略高于YSZ样品的热膨胀系数。 关键词:功能材料，Ni/YSZ,固相反应，多孔阳极支撑体，孔隙率，电学性能，稀土 目前，研究最成熟的固体氧化物燃料电池((SOFC)电解质是8% 摩尔分数)氧化IZ(Y203)fil定化 氧化错rZO)2( (简称YSZ)。而YSZ需在1000℃左右才能呈现出高的氧离子电导率，1000℃时YSZ的 电导率为0.16S/cm]如此高的工作温度对材料和制各工艺都提出了严格的要求，导致电池的性能和 寿命降低。如果将SOFC的1_作温度降低到600-800`C，不仅仍能保证碳氢燃料在电池中重整化，而 且也拓宽了电极材料和密封材料的选择范围，延长电池寿命，降低热应力，改善可靠性，进而降低电 池的成本[21。通过降低YSZ电解质的厚度可使欧姆损失降低到最低程度，SOFC则可在降低的温度下 高效运行。SOFC _作时电压损失主要来自于电解质的欧姆损失。为降低电解质的电阻，则需要降低 电解质的厚度。减少电池内阻的有效途径之一是在结构上将电解质制成薄膜。比较好的解决办法是在 阳极支撑体上制各电解质膜，这就要求阳极支撑体既要有足够高的强度，又要有足够的孔隙率。通常 以Ni/YSZ为阳极支撑体的孔隙率要求在3035%之间[}1 本文以淀粉为成孔剂，按适当的比例加入到Ni0/YSZ中。通过调整淀粉的含量制备出适宜孔隙率 的阳极支撑体，并对阳极支撑体的性能进行了研究。 1 实验 所用原料为商业化的YSZ微粉 (中国建材研究院)，纯度99%，标识平均粒径0.71tm,NiO纯度 99%，成孔剂为可溶性淀粉 分〔析纯)，溶剂为去离子水。 将YSZ和NiO按Ni在Ni/YSZ中占40vol%的比例混合，加入质量比为5,7,9,11和13% (质 量分数)的可溶性淀粉，在玛瑙研钵中以乙醇为介质研磨30min.烘干后在200MPa的压力下，压成 直径为013mm，厚度为I-2mm的圆片样品和直径为。6mm、厚度为4-7mm的柱状样品。然后在1400 ℃烧结 lob制得Niofysz。在氢气气氛下850*C保温30min将NiO/YSZ还原成Ni/YSZ,制得多孔阳 基金资助:吉林省科技厅 资助项目 *通信联系人:贺天民(hly@mail.jlu.edu.cn) 极支撑体。用排水法测定多孔阳极支撑体的孔隙率。将NiO/YSZ样品两面涂以银电极 (DAD-87导电 胶)，用英国SolartronSI-1260阻抗分析仪，测量NiO/YSZ样品在空气气氛下的阻抗及在氢气气氛下 的还原过程，测试温度范围300--8500C，扫描频率0.lHz-3.1x106Hz。用日本Rigaku产D/Max-rA型 X射线衍射仪对还原前后样品NiOfYSZ和Ni/YSZ进行物相分析，步长为。.050,CuK,(X=1.5418nm), 扫描范围20^800。用德国NETZSCHDIL402C热膨胀仪测量还原前后样品的热膨胀系数，氢气为载 气，流量60mUmin,钡9试温度范围3010000C，升温速率50C/min. 2 实验结果与讨论 2.1还原前后样品的XRD谱和孔隙率 图1是还原前后样品NiO(YSZ和NifYSZ的粉末XRD谱。从图1中可以看出，还原前样品中的 成分为NiO和YSZ，是复相陶瓷;还原后的样品中，NiO被还原成金属Ni，是金属陶瓷。