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《中国科学院研究生院(大连化学物理研究所)》 2005年
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ScSZ电解质及其在IT-SOFCs中的应用

王振卫  
【摘要】: 阳极支撑型固体氧化物燃料电池(SOFCs)是中温(800℃以下)SOFCs的主要类型之一,而阴极极化电阻是限制电池中温性能的关键因素。因此,改善阴极/电解质界面结构,开发高性能复合阴极是目前中温SOFCs的研究热点。Sc_2O_3稳定的ZrO_2(ScSZ)在ZrO_2类电解质中氧离子电导率最高,但由于相结构复杂、烧结活性差等原因,在SOFCs中应用较少。本文首先筛选了ScSZ电解质,并将其用于中温SOFCs中,设计新型阴极/电解质界面结构;制备新型复合阴极,提高了电池性能。 论文首先系统研究了CeO_2掺杂的ScSZ电解质的相结构和电性能。尽管ScSZ的电导率随CeO_2含量增加而降低,但引入CeO_2可以将ScSZ电解质的高温立方结构稳定到室温,并有助于消除晶界杂质,降低晶界阻抗。论文制备了阳极支撑型ScSZ薄膜SOFC,电解质隔膜不致密,在800℃电池开路电位为1.0 V,最大输出功率密度达到1.07 W/cm2。在成型过程中引入热压步骤可以进一步提高电池的开路电位。 论文开展了1Ce10ScZr电解质修饰阳极支撑型SOFC阴极/电解质界面研究。该方法有效扩展了氧还原反应的三相界面,促进了氧离子从LSM-YSZ表面向YSZ电解质膜表面发生电荷转移的过程,电荷转移电阻显著降低。经过界面修饰的电池性能明显提高,特别是在650℃操作时,性能提高40%。论文开展了LSM1.1-ScSZ复合阴极研究,优化了复合阴极的组成和制备条件。在通常的电极烧结温度范围内,LSM1.1和ScSZ有良好的化学相容性。电极极化电阻与ScSZ电解质的表面氧交换性质密切相关,而非材料的电导率。性能最佳的阴极含40 wt%的5Ce10ScZr,最佳烧结温度为1100℃,相应的电池在650℃和800℃的最大功率密度分别达到0.82 W/cm2和2.24 W/cm2。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(大连化学物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TM911.4

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