作为一种清洁高效的能源转换装置,固体氧化物燃料电池(SOFC)在能源领域占据重要地位。但是传统SOFC的高操作温度限制了其商业化应用。实现SOFC低温化的主要手段包括两个方面:一方面,通过电解质薄膜化或者发展新型高离子电导率材料可以降低电池体系的欧姆电阻;另一方面,由于操作温度的降低带来显著的极化电阻问题,开发高性能低温阴极材料也至关重要。在目前研究的电解质体系中,掺杂氧化铋(DBO)是近年来被发现的一种高氧离子导体电导率材料,但是DBO材料在电池燃料还原性气氛中易分解为金属铋,而且DBO熔点低,电解质膜制备困难,目前针对DBO在SOFC上的应用较少,主要集中在作为双层电解质阴极侧电解质层的研究。质子导体基材料活化能低,也是近年来受到广泛关注的电解质材料,目前针对质子基SOFC的高性能阴极选择有限,最广泛采用的是与电解质复合使用的传统钙钛矿阴极材料。本论文的工作包括(1)围绕DBO材料的高电导率性能,研究了 DBO作为SOFC电解质添加剂的效应;针对YSZ|DBO双层电解质体系进行结构设计、工艺优化以及电化学性能研究。(2)开发新型低温高性能阴极材料,改善SOFC电化学性能。第一章对固体氧化物燃料电池相关背景和发展概况进行简要介绍,概括了目前发展的电解质体系和阴极材料体系特性,重点总结了高性能Bi基电解质材料的应用方向,并针对双层电解质体系的制备技术进行总结。第二章研究铒稳定氧化铋(Er0.4Bi1.603,ESB)作为钐钕共掺氧化铈(Sm0.075Nd0.075Ce0.85O2-δ,SNDC)的添加剂使用,对复合电解质粉体ESB-SNDC电学性能和烧结活性的影响,本工作还创新性制备了 NiCuO-SNDC|ESB-SNDC|ESB-LSM电池结构,测试了含ESB添加剂的复合电解质在电池工作状态下的电学性能。结果表明ESB的少量添加就可以显著提升电解质的烧结性能,而且复合电解质的电导率表现也说明ESB-SNDC复合电解质可以作为LT-SOFC的电解质选择。以加湿氢气作为燃料气测试电池的电化学性能,1%的ESB添加即可将电池600℃的输出功率从417 mW cm-2提升到510 mW cm-2。但是随着ESB添加量的增加,ESB-SNDC还原性气体不耐受问题凸显,电池的输出表现反而下降。通过增加电解质的厚度一定程度上可以改善电解质结构的化学稳定性问题,5%ESB-SNDC电解质厚度从13μm增加到20μm时,在450℃下的电池性能从 41 mW cm-2 提升至 129 mW cm-2。与 SNDC 电解质相比,5%ESB-SNDC(20μm)的电池性能也获得了显著提升。第三章采用固相法成功制备了 YSB和DWSB粉体,通过逐层coating-烧结工艺制备五层电池结构NiO-YSZ|NiO-YSZ功能层|YSZ|DBO|DBO-LSM。系统研究了 YSZ|DBO双层电解质电池的性能表现,并分析了不同温度下电池的电化学行为及限速步骤。在氢气作为燃料气条件下,利用YSB和DWSB双层电解质层在较高温度范围内可以提升原YSZ单层电解质的输出功率,但是在低于600℃的操作温度下,YSZ丨YSB双层电解质表现略差于YSZ单层电解质。当采用离子电导率更高的DWSB时,可以缓解双层电解质性能对温度的依赖性,YSZ|DWSB在500-700℃测试温度区间均呈现出高于YSZ单层电解质的性能表现。尽管目前制备电池的长期稳定性还不佳,但是YSZ|DWSB电池的输出功率表现(700℃下1491mW cm-2)依然说明YSZ|DBO结构作为LT-SOFC电解质体系具备极大的优势。第四章采用微波烧结工艺制备YSZ|ESB结构的ESB电解质层。本章系统研究微波烧结温度对ESB层及YSZ|ESB单电池的性能影响,并优化了 YSZ|ESB双层电解质结构。研究表明,相比于传统马弗炉对ESB的近熔点温度烧结,微波烧结可以实现电解质层低温快速烧结致密,而且获得的ESB单片具有更高的电导率表现。采用700℃-3小时微波烧结获得的YSZ|ESB电池呈现出最佳的微观形貌和性能输出,在700℃的MPD达1449 mW cm-2。更值得注意的是,优化后的YSZ|ESB单电池在长期稳定性测试中也展示出140h的长期放电稳定性,这表明YSZ|ESB是一种具有实际应用价值的潜在LT-SOFC电解质体系。第五章,本章探索了 Ruddlesden-Popper型(R-P型)层状材料LaxSr2-xMnO4和作为质子导体基SOFC(H-SOFC)的阴极材料应用,对比研究了 R-P型层状材料LaxSr2-xMnO4和传统钙钛矿LSM阴极在H-SOFC上的性能表现,并通过研究La/Sr元素比例调控对电池电化学性能的影响,分析LaxSr2-xMnO4单相阴极的电化学行为。结果表明与传统钙钛矿结构相比,R-P型材料呈现更加优异的阴极表现,其中组分优化后的La0.5Sr1.5MnO4应用于BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ电解质结构时,以氢气为燃料气条件下,电池在700℃获得了 743.6 mW cm-2的最大功率密度和0.089 cm2的极化电阻。在500℃的较低温度下,La0.5Sr1.5MnO4电池的MPD依然保持173.1 mW cm-2。这表明R-P型阴极材料是一种有效的可应用于H-SOFC的高性能低温阴极材料。第六章,开发了新型阴极La1.2Sr0.8Ni1-xFexO4应用于H-SOFC。其中优化的La1.2Sr0.8Ni0.6Fe0.4O4阴极兼具良好电导率表现和良好的热膨胀性能,作为无钴单相阴极应用于电池结构 NiO-BZCY|NiO-BZCY 功能层|BZCY| La1.2Sr0.8Ni0.6Fe0.4O4时,电池在700℃下的性能表现为最大功率密度922mW cm-2、极化电阻0.043Ωcm2。而且针对La1.2Sr0.8Ni0.6Fe0.4O4电池进行长期稳定性测试,单电池在600℃、0.7V放电条件下可以维持310 mW cm-2的输出功率,在100小时内不发生衰减。这表明R-P型La1.2Sr0.8Ni0.6Fe0.4O4是一种优良的LT-SOFC阴极材料。第七章,对本论文进行梳理总结,并给出了工作展望。