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固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料的化学能直接转化为电能的电化学发电装置,具有效率高和环保等优点。以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质的传统SOFC通常在1000oC的高温下工作,然而如此高的工作温度带来了一系列问题,降低了电池的寿命。为将电池的工作温度降到650oC以下的低温区而使电池仍能获得高的输出性能,就需要研发具有更高离子电导率的中低温电解质材料、对电解质进行薄膜化及提高电极性能。文中首先使用浆料旋涂法,成功地制备出致密的具有应用潜力的Sm2O3掺杂的CeO2(Sm0.2Ce0.8O1.9,SDC)电解质薄膜电池。研究了用甘氨酸-硝酸盐法(GNP)制备的SDC粉体的预烧温度、处理条件对电解质薄膜性能的影响。结果表明,通过控制SDC粉体的预烧温度可以控制粉体的晶粒尺寸;预烧后粉体出现明显的团聚现象,而软团聚可经过球磨处理被破碎;预烧温度的不同导致球磨后粉体中二次颗粒大小的不同,例如球磨后的粉体的粒度分布曲线上在0.2和1μm处出现2个峰,预烧温度越低,晶粒粒径最小,粉体的团聚强度越大,在1μm处的峰值也就越高。烧结性能结果表明,粉体的预烧温度越高,开始发生烧结收缩的温度也越高,而总收缩量就越小。通过研究不同粒径粉体制备的电解质薄膜与阳极支撑体的烧结匹配情况和薄膜形貌,得出预烧温度为800oC的粉体最适用于制备电解质薄膜。对应的薄膜电池在650,600,550和500oC的最大功率密度分别为1.39,0.99,0.59和0.31W/cm2。在Ni/SDC阳极支撑体上制备了阳极功能(AFL),研究了AFL的作用机制,组分和厚度对电池性能的影响。结果表明AFL结构的存在可以有效提高阳极的电化学性能,并有利于制备致密的电解质薄膜。通过比较不同AFL组分的电池性能,得到当AFL中NiO与SDC质量比为6:4时,阳极的微结构最优,三相反应界面(TPB)最多,最大程度地降低电池的欧姆损失和电极极化损失。对于具有不同厚度的AFL的电池性能进行比较发现,在不同的测试条件下,AFL的最优厚度主要取决于AFL提供的TPB与气体扩散之间的竞争平衡。以环境空气作为氧化剂时,12μm或更厚的AFL可使电池获得较好的输出性能,而使用流动的氧气作为氧化剂时,8μm或更薄的AFL使电池获得好的输出性能。为了抑制CH4在Ni基阳极上的催化裂解而导致的碳沉积,使用化学镀方法将纳米Cu薄膜加入到Ni/SDC阳极支撑体中,SEM测试结果显示在阳极中形成了均匀的网状Cu结构。在干燥H2和CH4中,镀Cu电池在600oC下的最大功率密度分别为0.84和0.54W/cm2,比未镀Cu的电池高约30%,这是因为网状Cu结构连接了阳极中部分孤立的Ni颗粒,从而增加了阳极的有效反应区。在干燥CH4中,使用化学镀Cu的阳极,电池性能衰退的速率明显放缓,表明Cu网状结构成功地隔绝了Ni颗粒与CH4的直接接触。使用浸渍方法在多孔La0.8Sr0.2MnO3 (LSM)阴极骨架上,成功地植入了具有离子/电子混合导电的纳米Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 (BSCF)颗粒。浸渍BSCF后,LSM阴极对氧的还原催化活性明显提高,例如,1.8mg/cm2 BSCF浸渍LSM阴极的电极极化电阻仅为纯LSM阴极的1/12。使用BSCF浸渍LSM阴极,电池在800和650oC的最高功率密度分别为1.21和0.32W/cm2,比使用纯LSM阴极的电池输出性能分别提高了137%和300%。该结果表明浸渍方法是一种在LSM阴极中加入高性能的中低温混合导电的BSCF颗粒的有效方法,可使得高温LSM阴极在中低温区仍能获得好的电化学性能。总之,本论文用浆料旋涂法成功地制备出致密的SDC薄膜,将电池的工作温度降到了低温区;通过制备和优化AFL结构,提高了电池的输出性能;用化学镀方法在阳极支撑体中制备了均匀纳米的Cu膜,有效地抑制了阳极的碳沉积;通过浸渍法将BSCF纳米颗粒植入到高温LSM阴极中,提高了LSM在中低温区的电化学性能。以上研究方案都是提高中低温固体氧化物燃料电池性能的有效方法。