氧化铈基固体氧化物燃料电池结构设计及其电化学研究

固体氧化物燃料电池(SOFCs)可将燃料的化学能直接转化为电能，是一种能量转换效率高，环境友好的发电装置。经过近几十年的发展，SOFCs中低温化逐渐成为目前该领域的一个重要研究方向。掺杂的氧化铈(Doped Ceria，DCO)电解质在中低温下具有较高的离子电导率。因此，DCO基SOFCs被认为是很有发展前景的一类中低温SOFCs。本论文针对DCO基SOFCs存在的问题进行了一系列电池新材料与结构的设计，并对电池的电化学性能和改性机理展开了较为系统的深入研究和分析。
　　第一章，简单介绍了SOFCs的研究背景和工作原理，对SOFCs的关键材料-电解质做了着重的阐述。
　　第二章，提出了一种原位反应的方法制备BaCe1-xSmxO3-δ修饰Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)复合电解质。通过利用BaO和SDC在高温烧结过程中反应，合成了一系列不同比例的BaCe1-xSmxO3-δ修饰Ce0.8Sm0.2O1.9复合电解质。随后对合成的复合电解质粉体进行了表征，并研究了不同比例的复合电解质基电池的电化学性能。实验结果发现，原位生成的BaCe1-xSmxO3-δ包覆在SDC颗粒表面，形成了BaCe1-xSmxO3-δ修饰的SDC复合电解质。单电池的开路电压，欧姆电阻和极化电阻都随着复合电解质中BaCe1-xSmxO3-δ含量的增加而增加。其中，含少量BaCe1-xSmxO3-δ的复合电解质单电池的功率密度不仅优于传统的SDC电解质电池，而且还优于文献中报道的类似复合电解质电池的性能。研究表明，原位反应法是制备的BaCe1-xSmxO3-δ-SDC复合电解质的一种有效方法。
　　第三章，设计了一种由NiO-SDC阳极支撑体，NiO-BZCY阳极功能层，SDC电解质和SSC-SDC阴极四部分构成的电池结构，通过设计这种电池结构比较了NiO-SDC和NiO-BZCY分别用作SDC基SOFC阳极的催化性能，并研究了含Ba阳极功能层的厚度与生成电子阻挡层质量、厚度，电池的功率密度以及电池开路电压之间的关系。实验表明，NiO-SDC阳极支撑型电池的电化学性能要明显优于NiO-BZCY阳极支撑型电池。此外，电子阻挡层的厚度随着含Ba阳极功能层厚度的增加而增加，当阳极功能层的厚度大于等于50μm时，电子阻挡层才能有效保护SDC电解质，消除内短路现象。阳极功能层厚度为50μm的单电池也表现出最高的电化学性能，在650℃，电池的最高功率密度和开路电压分别高达1068mWcm-2和1.016V。此外，在600℃，0.7V输出电压和开路电压下分别运行50和80多个小时，电池几乎没有衰减，表现出较好的稳定性。还值得指出的是该电池在低温下仍表现出非常优异的性能，在450℃时最高功率密度可达254mWcm-2。研究结果表明，这种新型结构的电池是很有应用前景的中低温SOFCs。
　　第四章，首次提出并验证了阳极Sr的扩散也可原位生成电子阻挡层，提高DCO电解质基电池的开路电压。拉曼光谱，高分辨透射电镜结果发现，扩散的Sr元素与SDC发应生成了Srce1-x(Sm，Yb)xO3-δ钙钛矿相，包覆在SDC颗粒表面形成了SDC@SrCe1-x(Sm，Yb)xO3-δ的核壳结构。原位生成电子阻挡层的厚度与半电池的烧结温度密切相关，厚度随着烧结温度的升高而增加。此外，Sr元素扩散到SDC电解质中还能有效降低电池的烧结温度，烧结温度为1100℃时，就能得到致密的SDC电解质，比典型的NiO-SDC阳极支撑型SDC电池的烧结温度降低了约300℃。研究结果表明，选用含Sr的阳极材料是降低SDC电解质电池烧结温度和提高电池开路电压的一种简单有效的方法。
　　第五章，设计了一种可降低电池的烧结温度并能消除内短路的新型SDC基SOFCs。通过设计实验研究了Ba和Sr元素在SDC电解质中的扩散现象。调控阳极Ba和Sr元素的比例(NiO-Ba1-xSrxCe0.7Zr0.1Y0.2O3-δ，0≤x≤0.3)，优化了阳极成分。在半电池烧结过程中，利用阳极Sr元素的扩散降低半电池的烧结温度，利用阳极Ba元素的扩散与SDC电解质反应生成电子阻挡层消除内短路现象，提高电池的开路电压。结果发现，Sr比Ba元素更容易扩散到SDC电解质中，当阳极Sr元素的掺入量为0.1时，单电池的性能最好，在1200℃烧结5小时制备的NiO-Ba0.9Sr0.1Ce0.7Zr0.1Y0.2O3-δ阳极支撑型单电池，在650℃的开路电压和最高功率密度分别为1.038和677mW cm-2。单电池优异的电化学性能以及较低的烧结温度表明含钡和锶的复合阳极材料对氧化铈基燃料电池的推广和应用方面非常有前景。
　　第六章，对本论文工作进行了总结，并对掺杂氧化铈基SOFCs值得研究的问题进行了展望。