陶瓷材料在固体氧化物燃料电池中的应用
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商业8ysz的合成方法
商业8ysz,通常指的是8%氧化钇稳定的氧化锆(8% Yttria-Stabilized Zirconia,简称8YSZ),是一种重要的陶瓷材料,广泛应用于固体氧化物燃料电池(SOFC)、氧传感器、陶瓷涂层和高温结构材料等领域。
下面将详细介绍8YSZ的合成方法。
8YSZ的合成方法主要有两种:固相反应法和溶胶-凝胶法。
固相反应法是一种传统的陶瓷材料制备方法。
首先,将氧化钇(Y2O3)和氧化锆(ZrO2)的粉末按照8%的摩尔比例混合均匀。
然后,在高温下进行煅烧,使两种氧化物之间发生固相反应,生成8YSZ。
这种方法工艺简单,成本低,但制备的8YSZ颗粒较大,均匀性较差。
溶胶-凝胶法是一种新型的陶瓷材料制备方法。
它利用化学反应生成稳定的溶胶,再通过凝胶化、干燥和烧结等步骤制备出8YSZ。
具体而言,将钇盐和锆盐的水溶液混合,加入适量的稳定剂,形成均匀的溶胶。
然后,将溶胶进行凝胶化,得到湿凝胶。
湿凝胶经过干燥和烧结,最终得到8YSZ。
这种方法制备的8YSZ颗粒细小,均匀性好,但成本较高。
除了上述两种主要方法外,还有一些其他的合成方法,如共沉淀法、喷雾干燥法等。
这些方法各有优缺点,可以根据具体的应用需求和生产成本进行选择。
总之,商业8YSZ的合成方法有多种,每种方法都有其特点和适用范围。
在选择合成方法时,需要综合考虑生产成本、产品质量和应用需求等因素。
固体氧化物燃料电池连接件
固体氧化物燃料电池连接件是用于连接燃料电池单元的组件,以便实现电流的传输和气体的流动。
连接件通常由陶瓷材料制成,因其高温稳定性和耐化学腐蚀性能。
常见的固体氧化物燃料电池连接件包括以下几种:
1. 导电连接件:用于传输电子的连接件。
在连接燃料电池单元时,导电连接件将阳极和阴极之间的电子传导通路连接起来,以便形成电流。
2. 导气连接件:用于传输氧气或其他氧化剂的连接件。
导气连接件通常位于阳极一侧,将氧气从外部引入燃料电池单元中。
3. 密封连接件:用于确保燃料电池单元内外部的气体和液体不互相混合。
密封连接件通常位于燃料电池单元的边缘,以便有效地封闭电解质膜和其他重要组件。
4. 支撑连接件:用于支撑和固定燃料电池单元的连接件。
支撑连接件通常位于燃料电池单元的底部或侧面,以保证燃料电池单元的稳定性和可靠性。
固体氧化物燃料电池连接件的设计和制造对于燃料电池系统的性能和寿命有着重要的影响。
连接件需要具备良好的电导率、气密性和稳定性,以确保电流和气体的有效传输,并且能够在高温和极端环境下长期稳定工作。
锆镍氧化物(ZrNiO₄)是一种具有独特物理和化学性质的陶瓷材料,近年来在固体氧化物燃料电池(SOFC)、氧传感器和催化剂等领域引起了广泛关注。
其特性源于其特殊的晶体结构和电子状态,使其成为多功能材料领域的研究热点。
首先,从结构上看,锆镍氧化物属于钙钛矿结构,具有较高的结构稳定性。
这种结构允许离子在固态中移动而不破坏材料的整体结构,为其在固体氧化物燃料电池中的应用提供了可能。
在燃料电池中,锆镍氧化物可以作为电解质材料,具有高离子导电性和稳定性,有助于提高燃料电池的效率和寿命。
其次,锆镍氧化物在催化领域也展现出了巨大的潜力。
由于其具有较高的比表面积和优异的氧化还原性能,锆镍氧化物可以作为催化剂或催化剂载体,用于催化氧化、还原和氢化等反应。
例如,在环境保护领域,锆镍氧化物可以用于处理废气中的有害物质,如氮氧化物和一氧化碳等。
此外,锆镍氧化物还具有良好的电学性能,如高电子导电性和高介电常数等。
这些性质使得锆镍氧化物在电子器件、传感器和电容器等领域具有广泛的应用前景。
例如,在氧传感器中,锆镍氧化物可以作为敏感材料,用于检测环境中的氧气浓度。
然而,尽管锆镍氧化物具有诸多优点,但其在实际应用中也面临一些挑战。
例如,制备高质量、高纯度的锆镍氧化物需要较高的成本和复杂的工艺。
此外,锆镍氧化物的性能受到温度、湿度等环境因素的影响,需要在应用中加以考虑。
总之,锆镍氧化物作为一种多功能陶瓷材料,在固体氧化物燃料电池、催化、电子器件等领域具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展,相信锆镍氧化物会在更多领域展现出其独特的优势和应用价值。
固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展摘要:固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置,具有高效率、零污点。
它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。
这一技术的成功应用对于缓解能电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。
本文简略地介绍了固体氧化状和存在的题目,并提出了值得深进研究的课题。
关键词:固体氧化物燃料电池(SOFC),现状,发展1.固体氧化物燃料电池发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年,SOFC的开发始于20世纪40年代,但是在80年代以后其研展。
以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表,研制了管状结构的SOFC,用备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管,然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电薄膜。
1987年,该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统,到1997年3月成功运行时;1997年12月,西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第SOFC系统,截止到2000年底封闭,累计工作了16 ,612小时,能量效率为46 %;2002年5月,又与加州大学合作,在加州安装了第一套220kW SOFC与气体涡轮机联动发电系统,目前获得的能量猜测有看达到70 %。
接下来预备在德国安装320kW联动发电系统,建成1MW的发电系统,预计20构SOFC走向贸易化。
同时,日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中行了千瓦级管状结构SOFC发电试验.另外,加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. ),美国GE、Z2tek等公司在开发得进展,目前正在对千瓦级模块进行试运行。
环球热电公司获得的功率密度,在700℃运行时,达日本产业技术院电子技术综合研究所从1974 年开始研究SOFC,1984年进行了500W发电试验,最2kW。
氧化锆电导率
氧化锆是一种重要的高温材料,具有优异的电导率。
本文中将讨论氧化锆的电导率特性及其应用领域。
氧化锆是一种陶瓷材料,具有高度的电离能力和热稳定性。
它的电导率主要由材料中的氧空位和离子态缺陷决定。
通过适当的掺杂和加工方法,可以调控氧化锆的导电性能。
研究表明,氧化锆的电导率在高温下显著提高。
在低温下,氧空位对导电贡献较小。
随着温度的升高,氧空位浓度增加,进而提高了氧化锆材料的电导率。
当温度达到一定范围时,氧空位浓度足够高,形成了导电通道,导致氧化锆成为一种优良的固体电解质材料。
氧化锆电导率的提高,使其在很多领域得到广泛应用。
其中最主要的是用于固体氧化物燃料电池(SOFC)和传感器。
固体氧化物燃料电池是一种高效的能量转换装置,而氧化锆作为其电解质材料,能够在高温下实现电离并传递氧离子,从而提高燃料电池的效率。
氧化锆还可用于制备高温传感器,如气体传感器和湿度传感器。
其高温下的稳定性和优异的电导率使其成为理想的传感材料。
虽然氧化锆电导率的研究已经取得了显著进展,但仍然存在一些挑 challenges。
如何降低氧化锆电导率随温度上升过多的问题,以及如何增强氧化锆材料的机械稳定性。
这些问题将需要进一步的研究和改进。
氧化锆是一种具有良好电导率的陶瓷材料,广泛应用于固体氧化物燃料电池和传感器等领域。
随着对氧化锆电导率的深入研究,我们相信其在能源和传感技术中的应用潜力将进一步发挥。
固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展摘要:固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置,具有高效率、零污染、无噪声等特点。
它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。
这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。
本文简略地介绍了固体氧化物燃料电池及现状和存在的题目,并提出了值得深进研究的课题。
关键词:固体氧化物燃料电池(SOFC),现状,发展1.固体氧化物燃料电池发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年,SOFC的开发始于20世纪40年代,但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。
以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表,研制了管状结构的SOFC,用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管,然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。
1987年,该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统,到1997年3月成功运行了约1. 3万小时;1997年12月,西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统,截止到2000年底封闭,累计工作了16 ,612小时,能量效率为46 %;2002年5月,西门子西屋公司又与加州大学合作,在加州安装了第一套220kW SOFC与气体涡轮机联动发电系统,目前获得的能量转化效率为58 %,猜测有看达到70 %。
接下来预备在德国安装320kW 联动发电系统,建成1MW的发电系统,预计2005年底,管状结构SOFC走向贸易化。
同时,日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验.另外,加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. ),美国GE、Z2tek 等公司在开发平板型SOFC上取得进展,目前正在对千瓦级模块进行试运行。
陶瓷能源材料的制备及其在新能源领域中的应用随着全球能源需求的不断增长和对传统能源的严重依赖,发展新能源已成为当今世界的一项紧迫任务。
在新能源的发展过程中,陶瓷能源材料的制备和应用成为一个备受关注的领域。
因其具有优异的热稳定性、耐腐蚀性以及良好的导电性能和光学性能,陶瓷材料在新能源领域中具有广阔的应用前景。
本文将重点讨论陶瓷能源材料的制备方法及其在新能源领域中的应用。
首先,陶瓷能源材料的制备是实现其应用的关键。
目前,常见的陶瓷能源材料制备方法主要包括溶胶-凝胶法、沉淀法、高温烧结法、电化学沉积法等。
溶胶-凝胶法是一种常用的制备陶瓷材料的方法。
通过混合溶胶和凝胶,经过凝胶化、干燥和烧结等步骤,可以得到具有较高纯度和均匀微观结构的陶瓷材料。
此外,沉淀法和高温烧结法也是制备陶瓷材料的常见方法。
沉淀法通过沉淀反应生成陶瓷颗粒,然后通过高温烧结使其结晶并致密化。
电化学沉积法则是通过电化学方法在电极表面沉积陶瓷材料。
陶瓷能源材料在新能源领域中有着广泛的应用。
其中一个重要的应用领域是太阳能电池。
陶瓷材料能够通过吸收太阳光中的能量来产生电力,可以作为太阳能电池的关键组件。
例如,一些钙钛矿陶瓷材料具有优异的光吸收性能和电子传导性能,可以用于制备高效的太阳能电池。
此外,钙钛矿材料还具有较低的成本和丰富的资源,使其成为太阳能电池领域的重要发展方向。
另一个重要的应用领域是燃料电池。
燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置,具有高能量转化效率和环保的特点。
陶瓷材料在燃料电池中起到关键的作用,主要应用于电解质和催化剂。
陶瓷电解质可以在高温下实现离子传导,并具有良好的稳定性和耐腐蚀性,可以用于制备固体氧化物燃料电池。
同时,陶瓷催化剂具有较高的电化学活性和化学稳定性,可以提高燃料电池的性能和寿命。
此外,陶瓷能源材料还应用于储能设备,如锂离子电池和超级电容器。
锂离子电池是一种广泛应用于电子设备和电动车辆的储能装置,而陶瓷材料可以充当锂离子电池的电解质和正负极材料。
陶瓷半导体的原理及应用介绍在电子设备的制造中,半导体材料起着至关重要的作用。
陶瓷半导体作为一种特殊的半导体材料,具有独特的性质和广泛的应用。
本文将探讨陶瓷半导体的原理及其在各个领域的应用。
陶瓷半导体的基本原理陶瓷半导体是一种由陶瓷材料制成的半导体材料。
与传统的半导体材料相比,陶瓷半导体具有许多独特的性质和优势。
1.硬度和耐高温性陶瓷材料具有出色的硬度和优异的耐高温性能。
这使得陶瓷半导体在高温环境下能够稳定工作,并且对于各种机械和热应力有着良好的抵抗能力。
2.绝缘性陶瓷材料具有良好的绝缘性能,能够有效地阻挡电流的流动。
这使得陶瓷半导体在电气绝缘和绝缘电子器件中得到广泛应用。
3.化学稳定性陶瓷材料对化学物质的侵蚀性较低,具有良好的化学稳定性。
这使得陶瓷半导体能够在恶劣的化学环境中长期稳定工作。
陶瓷半导体的应用领域1. 电子器件陶瓷半导体在电子器件中有广泛的应用。
•陶瓷半导体用于高功率电子器件,如功率电子管和晶闸管。
其良好的耐高温性和化学稳定性使得陶瓷半导体能够承受高功率和复杂的工作环境。
•陶瓷半导体也用于电子陶瓷电容器,其绝缘性能和化学稳定性能确保了电容器的可靠性和长寿命。
2. 燃料电池陶瓷半导体在燃料电池领域的应用越来越广泛。
•陶瓷半导体可以用作燃料电池的电解质材料,如固体氧化物燃料电池(SOFC)中的电解质层。
其绝缘性能和耐高温性能使其能够稳定传导离子,并且长期稳定工作。
•陶瓷半导体还可用于燃料电池的催化层材料,如燃料电池阴极氧化物材料,用于提高燃料电池的效率和稳定性。
3. 传感器陶瓷半导体在传感器领域中广泛用于各种类型的传感器。
•陶瓷半导体用于气体传感器,如氧气传感器和氨气传感器。
其化学稳定性和绝缘性能使其能够稳定地检测和测量气体浓度。
•陶瓷半导体还用于热敏电阻温度传感器,其对温度的灵敏度和稳定性能确保了精确的温度测量。
4. 其他应用陶瓷半导体还可在其他领域中得到广泛应用。
•陶瓷半导体用于陶瓷底片和磁性材料的制备,如陶瓷磁体和磁性储存介质。
陶瓷材料在固体氧化物燃料电池中的应用摘要:本文综述了近年来用于固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cells,SOFC)的面心立方萤石型、立方钙钛矿型电解质材料在国内外的研究进展情况,并简要介绍了SOFC电解质薄膜制备工艺的研究情况,最后对电解质材料中低温化的发展趋势进行了展望。
关键词:固体氧化物燃料电池SOFC;电解质;薄膜工艺一、引言固体氧化物燃料电池SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池,简称PAFC)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池,简称MCFC)相比它有如下优点:(1)较高的电流密度和功率密度;(2)阳、阴极极化可忽略,极化损失集中在电解质内阻降;(3)可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料,而不必使用贵金属作催化剂;(4)避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题;(5)能提供高质余热,实现热电联产,燃料利用率高,能量利用率高达80%左右,是一种清洁高效的能源系统;(6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极,具有全固态结构;(7)陶瓷电解质要求中、高温运行(600~1000℃),加快了电池的反应进行,还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原,简化了设备。
固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点,可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。
在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站,以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源,都有广阔的应用前景。
二、SOFC结构组成固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode,fuel electrode)、阴极或空气极(cathode,air electrode)和连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)组成。
根据电解质导电类型的不同,SOFC可以分为两类:氧离子导电和质子导电电解质燃料电池,它们可以分别看成氧浓差电池和氢浓差电池。
两者主要不同在于燃料电池生成的水在哪一面,质子导体燃料电池中,水在氧化剂电极形成,而在氧离子导体燃料电池中,水在燃料电极形成。
另外,质子型导电电解质燃料电池只能用氢气做原料,但氧离子导电燃料电池还可以用其它如一氧化碳、甲烷等做燃料。
目前,对于质子型导电电解质燃料电池的研究还局限于基础材料、电导机理等方面的实验室研究,而对于SOFC,广泛发展的仍是氧离子导电的燃料电池,所以指的是SOFC均指氧离子导电型燃料电池。
大规模的SOFC是由单体电池通过各种结构堆叠而成的电池组,目前主要发展了管式、串接式、基块式、平板式等四种结构的电池组。
研究和应用最多的还是管式和平板型。
管状结构SOFC目前较成熟的一种,单电池已经运行了数万小时,性能优良并且稳定。
管状结构优点在于其单体电池自由度大,不易开裂;采用多孔陶瓷作为支撑体,结构坚固;不用高温密封,容易连接。
但是内阻损失大,制作成本难于降低。
平板式SOFC,电流收集均匀,流经路径短,输出功率较管式高。
存在的主要缺点是密封困难,抗热循环性能差及难以组装成大功率的电池组。
固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同,在原理上相当于水电解的“逆”装置。
其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成,阳极为燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。
工作时相当于一直流电源,其阳极即电源负极,阴极为电源正极。
在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气,例如:氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等,具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体,并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。
在阴极一侧持续通人氧气或空气,具有多孔结构的阴极表面吸附氧,由于阴极本身的催化作用,使得O2得到电子变为O2-,在化学势的作用下,O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体,由于浓度梯度引起扩散,最终到达固体电解质与阳极的界面,与燃料气体发生反应,失去的电子通过外电路回到阴极。
三、SOFC研究方向SOFC作为国际上公认的绿色电源的最佳方案之一,已经历了数十年的研制,但其实用化、产业化的进程比人们预期要慢的多,存在的问题基本上与燃料电池的材料、构型设计、制作工艺和成本有关。
其中一个最主要的问题是传统SOFC的工作温度过高,从而对电池材料的要求、电池性能的稳定性、耐久性、电池成本以及电池堆设计都造成很多的不良影响,如果能够降低其工作温度,那么以上难题都会迎刃而解。
为解决上述问题,SOFC的研究与开发出现了如下新的趋势:⑴在传统固相合成方法的基础上,寻求新的粉体制备方法,如化学共沉淀法、共沸蒸馏法、水热法等,达到提高材料应用性能的目标。
同时在单元掺杂的基础上进行二元或多元掺杂综合改性。
⑵开发中低温度下具有高离子电导率的固体电解质材料取代传统YSZ材料,如GDC(Gd2O3掺杂CeO2)、LSGM(碱土金属掺杂LaGaO3)和SSZ((Sc2O3稳定的ZrO2)等都是近年来开发的具有高电导率的电解质材料,很有潜力成为IT-SOFC的电解质材料。
⑶发展电解质的薄膜化制备技术,尽可能降低电解质薄膜的厚度,在保证电池性能基础上,满足低工作温度下运行。
⑷探索概念燃料电池如单室燃料电池和单体燃料电池(仅应用一种材料构成PEN电池的阴极-电解质-阳极3个部件),这些新概念电池探索的意义在于可能会有更新的燃料电池体系问世。
四、SOFC中的电解质SOFC中电解质是电池的核心,电解质的性能直接决定着电池的工作温度和性能。
电解质性能应满足:①氧离子电导率高,即氧离子迁移数接近1,电子电导率尽可能低,以减少欧姆极化损耗;②隔膜薄且均匀,成膜性能好,加工过程无污染;③膜无孔隙,致密度高,避免隔膜两侧的气体相互渗透;④在氧化或还原气氛中,隔膜必须具备足够的化学稳定性、形貌稳定性和尺寸稳定性;⑤与其它电池部件热膨胀率匹配,相容性好;⑥能与其它组件不仅在操作温度下相容,同时也要在电池组件烧制温度下保持化学相容性;⑦此外还应具备高强度、高韧性、易加工、低成本等特点。
目前对于SOFC固体电解质材料的研究,开展的研究主要集中在以下几种材料:氧化铋(Bi2O3)基电解质、氧化铈(CeO2)基电解质、镓酸镧(LaGaO3)固体电解质与氧化锆(ZrO2)基电解质。
目前,其中SOFC电解质中研究时间最长,应用最成功的是萤石结构的氧化锆基掺杂电解质材料,其中应用最广泛的主要为YSZ(Y2O3稳定的ZrO2),YSZ抗氧化还原的稳定性好,价廉易得,在高温下具有足够高的氧离子导电率、良好的化学稳定性和机械性能,而且YSZ的离子电导率在氧分压变化十几个数量级时,都不发生明显的变化,此外,在SOFC制作和工作环境中,YSZ表现出高稳定性和与气压组元间良好相容性,因而被广泛应用于制备SOFC的电解质材料。
4.1 氧化锆系电解质4.1.1 氧化钇稳定的氧化锆YSZ(Y2O3稳定的ZrO2)具有卓越的热稳定性和化学稳定性、优异的力学性能以及在较宽的氧分压范围内呈现纯氧离子导电特性等优点,是SOFC最常用的电解质材料之一。
氧化锆(ZrO2)具有化学性能稳定、热导率低、热稳定性好及高温蠕变小等性质,是一种用途广泛的陶瓷材料。
随着温度的变化它有三种晶型,及单斜相(m)、四方相(t)、和立方萤石结构(c),三种晶型转变温度依次为1170℃、2370℃,当2715℃后为液相。
纯的氧化锆室温下为单斜相,离子电导率很低一方面,因为它的离子导电率太低,在1000℃时具有10-7S/cm的电导率,接近于绝缘物质,而且伴随冷热循环,会发生突发性相变,引起很大的体积转变,不适合做电解质,所以常在氧化锆中掺入一定量的二价或三价金属氧化物后,可得到全稳定的立方萤石结构的氧化锆,如图所示,每个锆离子由八个氧离子所包围,形成体心立方结构;同时每个氧粒子由四个锆粒子所包围,形成正四面体排列。
当掺入二价或三价金属离子后,取代部分锆离子,同时为保持电中性平衡,产生一定量氧空位,形成了室温下稳定的立方萤石结构氧化锆。
4.2.2 氧化钪稳定的氧化锆YSZ材料虽然具有很多优点,但其工作温度必须在1000℃左右才能达到足够的离子电导率,温度过高带来电池成本高、封装困难、稳定性差等问题。
所以ZrO2的掺杂改性,提高其电导率成为目前一个重要的研究方向,不同稀土氧化物稳定ZrO2的电导率数据如表所示,从表中可以看出,掺杂效果比较好是Sc2O3掺杂的ZrO2(SSZ),其电导率同等温度下比YSZ的电导率高2~4倍。
SSZ系统的高电导率很多程度归因于其较低的氧离子迁移能。
SSZ材料被证实是于ZrO2基电解质中具有最高电导率的一种,其中立方相的。
然而SSZ 材料的结构复杂且不易控制,电导率最好的立方相与电导率差的菱形β相容易伴生,并且Sc资源稀少,价格昂贵。
如果既能做到稳定其结构,又能降低成本的话,这将具有很重要的现实意义。
传统制备SSZ的方法有固相烧结法、化学共沉淀法、Sol-Gel法等,这些方法除了存在烧结温度高、热处理时间长等问题,而Sc往往不能做到有效掺杂,进而提高了其成本。
此外,也有少量文献报道用水热法制备的,如Gang Xu等采用尿素作为沉淀剂制的8SSZ材料,但水热时间和热处理相对较长,不利于降低成本。
4.2 氧化铈(CeO2)基电解质纯的CeO2是一种离子与电子的混合导体,不合适作电解质(600℃时离子电导率仅为l×10-5S/cm)。
可喜的是CeO2基氧化物若掺杂低价的碱土或稀土氧化物,能有效增加体系氧离子空位,形成离子电导率大、电导活化能低的固溶体。
CeO2基电解质在中温时的电导率要比相同条件下YSZ的电导率大的多(8YSZ在800℃电导率约为0.0212 S/cm,Sm3+掺杂CeO2在800℃的电导率可达0.117 S/cm)。
CeO2基电解质与ZrO2基电解质类似,其电导率与掺杂的氧离子种类有关。
低浓度掺杂时,CeO2基电解质电导率主要受掺杂离子半径影响,掺杂离子半径与Ce4+越近电导率越高归。
如用与Ce4+半径接近的Sm3+、Gd3+等掺杂,所得CeO2氧化物具有较高的氧离子电导率(800℃时,Sm3+掺杂Ce02的电导率达0.117 S/cm,Gd3+掺杂Ce02的电导率为0.1 S/cm)。
掺杂浓度增加后,CeO2基电解质不仅与掺杂离子的种类有关还与掺杂离子的浓度有关,当掺杂量超过最佳掺杂浓度后,其离子电导率会逐渐降低。
分析认为,可能是因为当掺杂的量过高,产生过多的氧离子空位,过多的空位之间发生簇合作用,使得有效的氧离子空位减少,从而导致电导率下降。
此外,CeO2电解质处在还原气氛下时,Ce4+易被还原,出现电子、离子混合电导,使得SOFC使用效率大大降低。