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中温固体氧化物燃料电池电解质和阳极制备及电化学研究

1引言

1.1介绍中温固体氧化物燃料电池的背景及意义

中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）作为一种高效的能量转换装置，因其具有能量转换效率高、环境友好、燃料来源广泛等优点，已成为当前燃料电池领域的研究热点。与传统的低温固体氧化物燃料电池相比，中温固体氧化物燃料电池的工作温度较低，可在500-800℃范围内运行，有利于降低系统成本，延长使用寿命，提高系统的可靠性和稳定性。

中温固体氧化物燃料电池在分布式发电、热电联产、便携式电源等领域具有广泛的应用前景。因此，研究中温固体氧化物燃料电池的关键材料及制备工艺，对推动其商业化进程具有重要意义。

1.2概述电解质和阳极在燃料电池中的作用

电解质是燃料电池的核心组成部分，承担着传递氧离子、隔离燃料和氧化剂等重要作用。电解质的导电性能、化学稳定性、机械强度等性能直接关系到燃料电池的性能和寿命。

阳极是燃料电池的另一个关键组成部分，主要功能是催化燃料氧化反应，生成电子和离子。阳极材料的催化活性、稳定性、导电性等性能对燃料电池的性能具有重要影响。

1.3阐述本文的研究目的和内容

本文旨在研究中温固体氧化物燃料电池电解质和阳极的制备工艺及其电化学性能，主要研究内容包括：

选择适合中温固体氧化物燃料电池的电解质和阳极材料，并探讨其性能要求；

研究电解质和阳极的制备方法及工艺流程，优化制备工艺参数；

对电解质和阳极进行性能评价与优化，探讨提高电解质和阳极性能的途径；

研究电解质和阳极的界面特性，揭示界面性能对燃料电池性能的影响；

分析中温固体氧化物燃料电池性能优化的策略及效果。

通过本文的研究，旨在为中温固体氧化物燃料电池的电解质和阳极材料的研究与开发提供理论依据和技术支持。

2.中温固体氧化物燃料电池电解质制备

2.1电解质材料选择与性能要求

中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）的电解质对其性能起着关键作用。电解质需要具备良好的离子导电性、化学稳定性和较高的机械强度。在中温操作条件下（约500-700℃），最常用的电解质材料为氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）和氧化钙稳定的氧化锆（CSZ）。这两种材料在IT-SOFC中表现出较高的离子导电率和良好的耐久性。

对于电解质的性能要求，主要包括以下几点：

离子导电性：电解质应具有尽可能高的离子导电率，以降低电池内阻，提高功率密度。

化学稳定性：电解质应与燃料电池内部其它材料相兼容，不发生化学反应。

机械强度：电解质应能承受一定的机械应力，保持结构完整性。

热膨胀系数：电解质的热膨胀系数应与其它组件相匹配，以适应温度变化。

2.2制备方法及工艺流程

电解质的制备方法通常有湿化学法和固相法两种。

湿化学法：

湿化学法主要包括溶胶-凝胶法、共沉淀法等。以下以溶胶-凝胶法为例介绍其工艺流程：

配料：根据所需成分比例，称取一定量的氧化锆和氧化钇粉末。

溶解：将粉末加入有机酸（如硝酸）中，搅拌均匀，形成透明溶胶。

凝胶化：通过加热和蒸发，使溶胶逐渐转变为凝胶。

干燥：将凝胶置于烘箱中，逐渐降低湿度，得到干凝胶。

烧结：将干凝胶在高温下烧结，得到致密的电解质陶瓷。

固相法：

固相法主要包括高温固相反应法和机械合金化法。以下以高温固相反应法为例：

配料：按照一定比例混合氧化锆和氧化钇粉末。

球磨：将混合粉末进行球磨，以提高粉末的均匀性和反应活性。

烧结：将球磨后的粉末压制成型，并在高温下进行烧结，形成致密的电解质。

2.3性能评价与优化

电解质的性能主要通过以下方面进行评价：

离子导电率：通过交流阻抗谱（EIS）测量电解质的离子电阻。

微观结构：通过扫描电子显微镜（SEM）观察电解质的表面形貌和晶粒大小。

化学稳定性：通过长期运行实验评估电解质在燃料电池环境下的稳定性。

优化电解质的策略包括：

掺杂：通过引入其它元素（如镧、铈）来改善电解质的电性能和稳定性。

工艺优化：调整烧结温度和保温时间，以优化电解质的微观结构和性能。

界面优化：改进电解质与其他组件（如阳极、空气极）的界面接触，降低界面电阻。

3.中温固体氧化物燃料电池阳极制备

3.1阳极材料选择与性能要求

中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）的阳极材料在选择时需考虑其电化学活性、稳定性、与电解质的相容性及成本效益等因素。常用的阳极材料包括镍（Ni）基复合材料、钴（Co）基复合材料以及它们的合金。这些材料需具备以下性能要求：

高电化学活性以促进燃料氧化反应；

良好的热稳定性和化学稳定性，以适应中温操作环境；

与电解质材料有良好的接触性和相容性，以确保界面电荷传输效率；

足够的机械强度和稳定性，以抵抗操作过程中的应力。

3.2制备方法及工艺流程

阳极材料的制备方法主要包括以下几种：

粉末冶金法：以金属粉末为原料，通过混合、压制、烧结等步骤