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中温固体氧化物燃料电池CeO_2基复合电解质材料的制备和性能研究

徐丹  
【摘要】: 本文以掺杂CeO_2基电解质为主要的研究对象,运用复合材料的设计思想,探索降低CeO_2基电解质电子电导、提高电解质离子电导的有效途径,最终达到提高SOFC性能的目的。 采用甘氨酸-硝酸盐法制备Ce_(0.85)Sm_(0.15)O_(1.925)(SDC),La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(2.85)(LSGM)中温电解质材料,用固相法合成复合中温电解质SDC-LSGM。当SDC与LSGM的质量比为9:1时复合中温电解质材料性能最好,电导率在350-800℃的温度范围内均比SDC高。用复合电解质制备的单电池的输出功率密度大于用SDC或LSGM单一电解质制成的单电池输出功率密度。 用Hebb-Wagner直流极化法测量了在700-800℃的温度范围和10~(-6)~10~(-20)MPa的氧分压范围内SDC-LSGM复合电解质的电子电导率。SDC-LSGM复合电解质的电子电导率随着LSGM复合含量的增多而降低。所有样品的氧离子迁移数随着LSGM含量的增多而增加。复合电解质在一定程度上阻碍了纯SDC电解质在还原气氛下的电子导电。 用甘氨酸-硝酸盐法制备SDC-Fe_2O_3复合电解质材料。实验结果表明,在不同的烧结温度下,大部分的Fe~(3+)都是以Fe_2O_3的形式存在于晶粒的间界。Fe_2O_3可以促进在烧结过程中SDC的晶粒生长并且对SDC的晶界有净化作用,可以提高材料的晶界电导率。单电池测试结果显示,1450℃烧结的SDC+0.5mol%FeO_(1.5)复合电解质支撑的单电池的功率密度最高,达到了0.398W/cm~2。比纯SDC电解质支撑的单电池最高的功率输出提高了0.186W/cm~2。 将过渡族金属氧化物NiO与SDC复合制备SDC-NiO复合电解质材料。考察NiO对电解质样品的微观结构和电学性能的影响。单电池测试显示,SDC-NiO复合电解质的单电池输出特性比SDC的单电池输出特性有明显的提高,其中以SDC+0.5mol%NiO为电解质的单电池的输出功率密度最高,800℃时可达0.303W/cm~2。


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