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氧化铈基固体氧化物燃料电池结构设计及其电化学研究

1引言

1.1氧化铈基固体氧化物燃料电池背景及意义

氧化铈基固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCells，简称SOFCs）是一种以氧化铈为电解质材料的燃料电池。与其他类型的燃料电池相比，SOFC具有高效率、长寿命、燃料适应性强和环境友好等优点，被认为是一种具有广泛应用前景的清洁能源转换技术。

氧化铈基SOFC在能源转换领域具有重要的意义。首先，它能够实现高效、绿色地转化燃料，为我国能源结构调整和减排目标提供技术支持。其次，氧化铈基SOFC在分布式能源系统中具有较大的应用潜力，有助于提高能源利用率，降低能源成本。此外，研究氧化铈基SOFC对于推动我国新能源材料及器件领域的发展具有重要意义。

1.2国内外研究现状

近年来，国内外研究者对氧化铈基SOFC进行了大量研究，主要集中在电解质材料、电极材料、结构设计以及电化学性能等方面。在电解质材料方面，研究者致力于提高氧化铈的离子导电率和稳定性；在电极材料方面，关注提高电极的催化活性和稳定性；在结构设计方面，不断优化电池结构，提高其功率密度和稳定性；在电化学性能方面，研究电池在不同操作条件下的性能表现，为实际应用提供理论依据。

尽管国内外在氧化铈基SOFC研究方面取得了显著成果，但仍存在一些问题，如电解质与电极之间的界面稳定性、电池长期稳定性等，亟待进一步研究。

1.3研究目的与内容概述

本研究旨在针对氧化铈基SOFC的结构设计和电化学性能进行深入研究，主要包括以下几个方面：

分析氧化铈基SOFC的基本结构，提出结构设计原则与要求；

设计氧化铈基SOFC的结构方案，并进行材料选择与制备；

研究氧化铈基SOFC的电化学性能，探讨优化方向与策略；

分析氧化铈基SOFC在能源和环保领域的应用前景，总结研究成果，展望未来发展。

通过本研究，旨在为氧化铈基SOFC的优化设计和实际应用提供理论指导和技术支持。

2.氧化铈基固体氧化物燃料电池结构设计

2.1氧化铈基固体氧化物燃料电池基本结构

氧化铈基固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种以氧化铈作为电解质材料的燃料电池。其基本结构由阳极、阴极和电解质三部分组成。阳极负责燃料的氧化，阴极负责氧气的还原，电解质则负责隔离燃料与氧化剂并传导离子。

在典型的氧化铈基SOFC中，电解质通常采用具有较高离子导电率的氧化铈材料，如氧化铈稳定的氧化锆（CSZ）。阳极材料多采用具有良好催化性能的镍基陶瓷材料，而阴极则多选用电子导电性较好的钴基或铁基陶瓷材料。

2.2结构设计原则与要求

氧化铈基SOFC的结构设计需遵循以下原则与要求：

高离子导电性：电解质应具有高的离子导电率，以确保电池的输出性能。

化学稳定性：在高温及燃料气氛下，各组件材料需具备良好的化学稳定性。

热膨胀匹配：各组件材料的热膨胀系数应相互匹配，以减少热循环过程中的应力损伤。

电化学活性：阳极与阴极材料应具有足够的电化学活性，以提高电池的整体性能。

2.3结构设计方案

针对上述原则与要求，以下是氧化铈基SOFC的结构设计方案：

电解质：采用多层结构设计，包括致密层、梯度层和孔隙层，以提高电解质的离子导电性和机械强度。

阳极：采用具有三维多孔结构的镍基陶瓷材料，以提高其催化活性和抗积碳性能。

阴极：采用具有高电子导电性的钴基或铁基陶瓷材料，并设计为多孔结构，以增加电极与电解质的接触面积。

电极支撑：采用具有良好热稳定性和机械强度的陶瓷材料作为电极支撑，以减小热膨胀系数差异带来的应力。

界面修饰：在电解质与电极的界面处进行修饰，以提高界面结合强度和电化学性能。

通过以上结构设计方案，可以优化氧化铈基SOFC的性能，提高其在实际应用中的稳定性和耐久性。

3.氧化铈基固体氧化物燃料电池材料选择与制备

3.1电极材料选择与制备

氧化铈基固体氧化物燃料电池（SOFC）的电极材料选择对电池的整体性能有着重要影响。电极材料需要具备良好的电导率、化学稳定性和在高温下的耐久性。本研究中，阳极材料选择为掺杂氧化铈（如SmCoO3）以增强其电子导电性和抗碳沉积能力；而阴极材料选用具有较高电化学活性的La1-xSrxCoO3（x=0.6）。

电极的制备采用以下工艺：

浆料制备：将所选用的氧化物粉末与去离子水混合，并加入适量的分散剂和粘结剂，通过球磨达到均匀分散。

涂覆：采用丝网印刷技术，将浆料均匀涂覆在电解质基片上，形成电极层。

烧结：在高温下（约1200°C）对涂覆好的电极进行烧结处理，以提高电极材料的结构稳定性和电导率。

3.2电解质材料选择与制备

电解质是SOFC中的关键组件，它需要具备高离子导电性和在燃料电池操作条件下的化学稳定性。本设计中，电解质材料选用氧化铈（CeO2）基材料，因其具有优异的氧离子传导性能。

电解质的制备包括以下