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中温固体氧化物燃料电池电解质及相关材料和性能的研究

1引言

1.1固体氧化物燃料电池的背景及意义

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效的能量转换装置，因具有燃料的多样性、高能量转换效率和环境友好等优点而受到广泛关注。与传统的热机相比，SOFC在能源转换过程中，直接将化学能转化为电能，无需经过中间的燃烧过程，因此具有更高的能源利用效率。

1.2中温固体氧化物燃料电池的研究现状

中温SOFC（IT-SOFC）的工作温度一般在500-700℃之间，相较于传统的SOFC（工作温度在800℃以上），具有较低的能耗和材料要求，有利于降低成本和延长使用寿命。目前，IT-SOFC的研究主要集中在电解质、电极材料以及电池性能的优化等方面。

1.3研究目的和内容概述

本研究旨在探讨中温固体氧化物燃料电池电解质及相关材料的研究，分析电解质导电性能、稳定性及与电极材料的相容性，进而优化电池性能。具体研究内容包括电解质材料的选择和制备、导电性能分析、电解质与电极材料的相互作用以及电池性能的研究。通过本研究，期望为IT-SOFC的进一步发展和应用提供理论指导和实践参考。

2.中温固体氧化物燃料电池电解质的研究

2.1电解质材料的选择和制备

中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）电解质的选择对其性能具有决定性影响。IT-SOFC一般采用具有较高离子导电率的电解质材料，以保证电池在中温（500-700℃）下具有良好的性能。本研究选取了氧化锆（YSZ）和氧化铈（SDC）两种材料作为研究对象，通过溶胶-凝胶法、高温烧结等方法进行材料的制备。

2.1.1氧化锆（YSZ）电解质

氧化锆因其较高的离子导电率和良好的化学稳定性被广泛用于SOFC电解质。本研究选用的是8%摩尔分数的氧化钇稳定的氧化锆（8YSZ）。首先，采用溶胶-凝胶法制备8YSZ粉末，然后通过干压成型和高温烧结制备致密的电解质片。

2.1.2氧化铈（SDC）电解质

氧化铈电解质具有较低的热膨胀系数和较高的离子导电率，适用于中温SOFC。本研究选用的是40%摩尔分数的gadolinium-dopedceria（SDC）。采用同样的方法制备SDC粉末和电解质片。

2.2电解质的导电性能分析

对制备的YSZ和SDC电解质进行导电性能分析，主要采用交流阻抗谱（EIS）和直流电导率测试。通过比较两种电解质的离子导电率，评估其在IT-SOFC中的应用潜力。

2.2.1交流阻抗谱（EIS）

通过EIS测试，研究了电解质的活化能和离子导电率。结果表明，8YSZ电解质的离子导电率高于SDC电解质。

2.2.2直流电导率测试

利用直流电导率测试方法对电解质的导电性能进行了进一步验证。结果显示，8YSZ电解质的电导率在测试温度范围内（500-700℃）均高于SDC电解质。

2.3电解质稳定性及与电极材料的相容性研究

电解质的稳定性及与电极材料的相容性对IT-SOFC的长期稳定性至关重要。本研究通过高温循环测试和电极材料与电解质界面微观结构分析，探讨了电解质的稳定性和相容性。

2.3.1高温循环测试

对电解质进行高温循环测试，以评估其在中温条件下的稳定性。测试结果表明，8YSZ和SDC电解质均具有较高的稳定性。

2.3.2电解质与电极材料界面微观结构分析

采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对电解质与电极材料界面进行微观结构分析。结果显示，两种电解质与电极材料均具有较好的相容性，界面结合紧密，有利于电池性能的稳定。

3相关材料研究

3.1电极材料的选择和制备

在中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）的研究中，电极材料的选择和制备是至关重要的环节。电极材料需要具备良好的电化学活性和稳定性，同时与电解质材料相容性好，以保证电池的性能和寿命。

本研究选用了一系列过渡金属氧化物作为阳极和阴极材料。阳极材料主要选用具有优异氧还原活性的Ni-Fe合金，通过溶胶-凝胶法制备得到；阴极材料则选用具有高电化学稳定性的La-Sr-Mn-O系列钙钛矿型氧化物，采用流延法制备。

3.2电极材料的电化学性能分析

对所选电极材料进行电化学性能分析，主要包括循环伏安法、交流阻抗法和极化曲线测试等。研究结果表明，所选阳极材料在IT-SOFC工作温度下具有较好的氧还原活性，而阴极材料则表现出较高的电化学稳定性。

3.3电极材料与电解质的相互作用

电极材料与电解质的相互作用对IT-SOFC的性能具有重要影响。本研究通过微观结构分析、界面化学成分分析和电化学性能测试等手段，探讨了电极材料与电解质之间的相互作用。

研究发现，阳极和阴极材料与电解质之间存在一定的化学兼容性，界面处形成了稳定的化合物层，有助于提高电池的性能和稳定性。此外，通过优化电极材料的微观结构，如增加电极的孔隙率和比表面积，可以提高电