GDC固体电解质离子与电子电导率研究

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传统的 SOFC通常把氧化钇稳定氧化锆(YSZ)作为氧化物电解质材料。为了保证YSZ电池使用时具有高的离子电导率,其工作温度必须在900-1000℃之间。若SOFC长期在较高的温度下运行,会引起电解质与电极之间热膨胀系数不匹配等问题,同时还增大了运营成本。因而,开发新型的在中低温下适合于 SOFC使用的固体电解质材料成为当今的研发方向。而掺杂 CeO2基固体电解质在中低温(500-800℃)下就可以获得较高的离子电导率,有效避免了长时间的高温工作对SOFC所带来的损害。  但在还原性气氛或低氧分压下,掺杂 CeO2基固体电解质中的 Ce4+会向 Ce3+转变,产生部分电子电导率。而电子电导率得产生,使 SOFC的开路电压降低,输出功率减小,降低了SOFC的综合使用性能。  本文采用溶胶—凝胶法合成Gd2O3掺杂CeO2的Ce0.8Gd0.2O1.9固体电解质,通过综合热分析仪(TG-DTA)、多晶 X射线衍射仪(XRD)及扫描电子显微镜(SEM)等设备,分别对粉体和电解质基片进行了性能表征,得到了性能优良的固体电解质材料。实验应用Hebb—Wagner极化法和交流阻抗谱分析(AC impedance)法,测定Ce0.8Gd0.2O1.9固体电解质在不同气氛(空气、X(O2)=10%、氮气)下电导率随温度变化的规律以及在低氧分压下电子电导率随温度变化的规律。  实验结果表明,GDC固体电解质的总电导率随着氧分压的降低而减小,其活化能随着氧分压的降低而增大。通过 Hebb—Wagner极化法测得在低氧分压(10-13Pa)下的电子电导率为10-5S.cm-1。此外,GDC固体电解质的电子电导率与温度的关系符合阿伦尼乌斯方程(Arrhenius equation)。
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