LaNbO4增韧固体氧化物燃料电池阳极支撑体NiO-YSZ复合陶瓷的研究

SOFC单电池在电堆装配和运行过程中破裂是制约平板式SOFC技术发展和应用的瓶颈问题，导致燃料（主要为H2）和氧化（主要为O2）气体互串、单电池失效、电堆性能衰减；在严重情况下，还会引起爆炸。为此，本项目提出LaNbO4增韧SOFC单电池阳极支撑体NiO-YSZ复合陶瓷的研究。将采用断裂韧性测试、LaNbO4畴结构取向变化原位观察、相分析以及微观结构表征等实验手段，在以下3方面开展系统研究：1）LaNbO4对NiO-YSZ断裂韧性的影响；2）LaNbO4与NiO-YSZ复合陶瓷之间的化学相容性；3）多孔NiO-YSZ-LaNbO4阳极支撑体的断裂行为,从而探索LaNbO4对NiO-YSZ复合陶瓷材料的增韧机理和LaNbO4对YSZ晶体结构稳定性影响等科学问题，揭示铁弹材料LaNbO4在NiO-YSZ复合陶瓷中的作用本质和影响规律，为优化平板式SOFC阳极支撑体的强韧性提供理论和实验依据。

在阳极支撑平板式SOFC中，Ni-YSZ金属陶瓷是最常用的阳极材料，它通常是由室温的NiO-YSZ陶瓷复合材料在还原气氛中还原而得。与其他陶瓷材料一样，NiO-YSZ复合陶瓷有着固有的脆性，易断裂。因此，它作为阳极支撑体面临的问题是在电堆组装过程中的压力荷载易导致单电池破裂，从而导致燃料和氧化气体互串、电池失效、电堆性能衰减等的情况的发生。.为了解决上述问题，本项目研究选用LaNbO4作为增韧的第二相材料添加到NiO-YSZ中，用来提高在室温中电池装配时阳极支撑体的断裂韧性。本项目为此展开了以下几个方面的研究工作：粉末的制备与表征；LaNbO4与NiO-YSZ化学相容性分析；LaNbO4-NiO-YSZ复合陶瓷机械性能测定；LaNbO4在复合陶瓷中的畴转增韧机理探讨；多孔LaNbO4-NiO-YSZ阳极支撑体导电、力学和热膨胀性能评估与优化。主要研究结果如下：.1）LaNbO4，NiO和YSZ晶粒均匀分布在复合陶瓷中，其微观结构因LN含量的增加被细化。而且它们化学相容性好并且结构稳定，在常压下1500℃烧结6小时后没有新相生成。.2）LaNbO4的加入对NiO-YSZ复合陶瓷烧结性能基本无影响，其断裂韧性随着LaNbO4含量的增加而增加。对于LN含量为30wt%的复合陶瓷，其断裂韧性KIC为3.1MPam1/2，较NiO-YSZ提高了42%。增韧效应主要来自于微观结构中晶粒的细化作用、断裂模式改变导致裂纹偏转以及单斜相LN畴结构转换。.3）首次采用透射电镜原位拉伸的方式，观察到LaNbO4-NiO-YSZ复合陶瓷中LaNbO4内部畴结构的形貌在受力前后有着明显的变化；其畴转换的驱动力来源于两种不同取向的畴域之间的吉布斯自由能差。LaNbO4的畴转换增韧机理是通过畴结构的转换松弛积聚在裂纹尖端的应力，阻碍了裂纹的扩展，从而提高了复合陶瓷的断裂韧性。 .4）多孔阳极支撑体LaNbO4-NiO-YSZ在电堆装配时具有比传统支撑体更好的的力学性能，以及匹配的热膨胀系数和适宜的高电导率。其还原前后热膨胀系数随着LaNbO4的添加而降低，其值更为接近传统YSZ电解质；LaNbO4-Ni-YSZ的电导率取决于Ni的含量并表现出金属导电行为；将LaNbO4-NiO-YSZ用作阳极支撑体使用时，优化其中各组分比例，在温度低于900°C时，导电率大于456.17Scm-1。