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固体氧化物燃料电池(SOFC)由于燃料的选择范围广,能量转换率高以及环境友好等优点被认为是最有前景的能源转换技术。目前高温是限制SOFC商业化的一个重要因素,传统解决高温问题的方法主要是减少钇稳定二氧化锆(YSZ)电解质厚度以及采用掺杂氧化铈(DC)等中低温下有高电导率的替代材料,然而,由于YSZ薄膜工艺的复杂性以及Ce4+的还原等问题,当前的SOFC技术迟迟没有被应用于商业化。近年来,一种新型的燃料电池技术“无电解质燃料电池(EFFC)”被提出,该电池打破了传统SOFC的阳极/电解质/阴极的结构限制,引入了一层半导体离子导体复合材料作为中间功能层,提高离子电导率的同时减小了界面的电极极化,使得电池可以在550℃下良好的运行。而且其制作工艺简单,成本低廉,为燃料电池的商业化提供了一种新的思路。本文采用掺杂氧化铈和钙钛矿电极材料的复合物作为中间功能层,对EFFC进行系统地研究:(1)通过对基于 Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)-Sm0.5Sr0.5CoO3-5-δ(SSC)复合材料的 EEFC 的性能测试,发现该电池器件可以在低温475℃到550℃的范围内良好的运行,取得了367-741mW/cm2的输出功率。并研究了 SDC和SSC的比例对EFFC的性能影响,发现在6:4时电池性能达到最佳,此时电子和离子电导率达到平衡。同时通过阻抗谱分析,发现向SDC中引入SSC可以增加三相界面区域减小电池极化,进而增强电池性能。(2)将Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)-Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFM)复合物分别应用于EFFC的中间隔膜层和传统的SOFC电极(阴极和阳极)。当SDC-SFM的质量比为6:4时,EFFC的性能达到最佳值,550℃下为841mW/cm2,并且该电池可以在156mA/cm2恒定电流放电约24h。而传统的SDC电解质SOFC在相同的温度下只能达到326 mW/cm2。通过对EIS的分析,发现EFFC的电荷转移电阻比传统电池小很多。同时,还证实了在氢气侧产生的肖特基结可以有效的阻挡电子通过电池内部。因此EFFC可以获得一个很高的输出性能并且避免电池短路问题。(3)将 N 型半导体 La0.25Sr0.75TiO3+δ(LST)和离子导体 Ce0.8Sm0.05Ca0.15O2-δ(SCDC)复合(SCDC-LST)用做EFFC的中间功能层。以6SCDC-4LST复合材料为例,EFFC在550℃下可以取得1.16V的开路电压和840mW/cm2的输出功率,而以SCDC为电解质的SOFC在相同的温度下只能达到462 mW/cm2。从阻抗谱的结果可以看出,EFFC的欧姆电阻和电荷转移电阻都要小于以SCDC为电解质的SOFC的相应电阻。同时,本文通过测试直流整流曲线,证明了在电池的阴极侧确实形成了 PN结。除此之外,由于阴极侧稳定的PN结可以有效增加电池的稳定性,EFFC可以在550℃下稳定的运行14h。