固体氧化物电池(Solidoxidecells,SOCs)是一种绿色高效的能源转换装置,既可以作为固体氧化物燃料电池(Solid oxide Fuel Cells,SOFCs)将燃料的化学能转化电能,又可以作为固体氧化物电解池(Solid oxide electrolysis cells,SOECs)将过剩的电能转化为化学能储存。降低SOCs电池的操作温度,不仅可以降低电池组件的成本,如连接体,还可以提高电池的使用寿命和耐久性,因此是目前研究的主要方向。采用多孔电极支撑的薄膜化电解质,是降低SOFCs工作温度的有效途径。目前制备多孔支撑体电极时通常采用石墨等造孔剂,其孔隙无序分布,孔道弯曲,导致浓差极化严重,影响了电池的性能。因此,本论文研究开放、直孔电极支撑体的相转化流延成型方法,研究支撑体的孔道结构与电池电化学性能的关系,为SOCs技术的实用化提供制备科学和材料基础。论文第一章主要介绍了 SOCs发展历史、工作原理、影响电池性能的主要因素,并对电极和电解质等关键材料进行了概述。随后总结了电池的主要构型以及制备方法。针对SOCs实用化面临的制备问题,提出了论文的研究内容。第二章我们采用改进的相转化流延方法制备开放、直孔NiO-8mol%Y203稳定的Zr02(YSZ)平板阳极。流延采用两种不同浆料,一种含有NiO和YSZ,另一种为石墨浆料。将配制好的两种浆料同时流延在载带上,置于水浴中,发生相转化。本方法制备的阳极生坯中海绵层由石墨层取代,皮肤层和指状孔层仍由NiO-YSZ构成,经高温烧结,海绵层石墨完全燃烧,指状孔完全暴露于气相。该阳极支撑SOFC展现出优异的电化学性能,800℃时,电池的最大功率密度为986 mW cm-2。在大电流密度区域没有观察到到浓差极化现象存在,消除了海绵层引起的浓差极化损失,该结果表明开放直孔的阳极更有利于气相的传输。此外,我们对所制备电池进行了进一步的优化,在电解质和阳极支撑体直接引入了阳极功能层,电池的性能显著提升,800℃时,电池的最大功率密度增大至1195mW cm-2。第三章研究和发展了相转化双层流延方法,一步制备了含功能层的多孔电极支撑体。流延采用两种不同浆料,一种含有NiO和8YSZ,另一种含有NiO、3YSZ和石墨。将配制好的两种浆料同时流延在载带上,置于水浴中,发生相转化。所制备的坯体含有双层结构,分别源于第一种和第二种浆料,前者作为电极功能层,后者作为电极支撑层。功能层的厚度通过刀距控控制在20-60μm。以该支撑体为基底制备了单电池NiO-YSZ/YSZ/YSZ-La0.8Sr0.2)0.95MnO3-δ(LSM)。以3%H20的氢气作为燃料气,空气为氧源,采用电化学工作站测量电池的电化学性能。750℃时,功能层厚度为60,40和20μm时,单电池的最大功率密度分别为720,821和988 mWcm-2。令人满意的电化学性能归功于电极支撑体的双层结构,其海绵状功能层提供了大量的用于电化学反应的三相线,而含指状大孔的支撑体则有利于气相物质的输运。第四章我们通过对电极支撑体孔结构的优化,提高电极支撑SOCs的电化学性能。研究采用相转化流延法和普通流延法制备了两种不同结构的NiO-YSZ电极。前者制备的电极中具有定向排列的开放大指状孔,后者制备的电极中含有大量的无序孔。进一步表征了两种不同结构电极支撑单电池的SOFC和水蒸气电解性能。SOFC模式下,750℃时,开放直孔电极支撑电池的最大功率密度为980 mW cm-2,而无序孔电极支撑电池最大功率密度仅为487 mW cm-2。SOEC模式下,750℃,燃料极水分压为5G vol%,电解电压为1.3V时,开放直孔电极支撑电池的电流密度和氢气生成速率分别为1.42 A cm-2和9.89 mL cm-2min-1,而无序孔电极支撑电池电流密度和氢气生成速率分别为0.91 A cm-2和6.34 mLcm-2min-1。研究结果表明,在电极支撑体中引入大的开放直孔,可以使气相物质的快速传输,从而降低浓差极化。此外,直孔可以更好地让燃料气进入电极反应活性位点,降低燃料极活化极化。由于YSZ-LSM复合电极的电化学活性在中低温区(500-750℃)较低,第五章采用Sm0.2Ce0.802-δ(SDC)-La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.803-ε(LSCF)复合材料代替 YSZ-LSM作为SOCs的空气极材料。采用相转化共流延方法制备双层结构电极,该电极中功能层和支撑层的厚度分别为20和820 μm。为了比较,以石墨为造孔剂,采用普通流延和共压技术制备SDC-LSCF电极。测试了两种不同结构电极支撑单电池的SOFC和水蒸气电解性能。SOFC模式下,700℃时,开放直孔电极支撑电池的最大功率密度为1190 mW cm-2,而无序孔电极支撑电池仅为815 mW cm-2。SOEC模式下,700℃,水分压为50 vol%,电解电压为1.3V时,前者的电流密度和氢气生成速率分别为1.24 Acm-2和8.63 mL cm-2 min-1,而后者则分别为 0.92 A cm-2 和 6.46 mL cm-2 min-1。第六章提出并研究了平板管状阳极支撑SOFC的相转化流延/热压成型新方法。采用该方法制得的阳极具有三层结构:第一层为阳极功能层;第二层为阳极支撑层,并且内部设有气体通道;第三层为阳极集电层。采用浸渍涂覆法和高温共烧在阳极上制备YSZ电解质薄膜,丝网印刷制备YSZ-LSM(质量比50:50)阴极。以H2-3%H20(100 ml min-1)为燃料和环境空气为氧化剂,800℃时,单通道电池的最大功率为245mW。值得指出的是,本章发展的平板管状阳极制备方法可用于其他平板管状陶瓷器件的制备。第七章对全文工作进行了总结和展望。