复合BaCeO3基材料对CeO2基电解质在固体氧化物燃料电池中的应用性能的影响

摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将燃料的化学能直接转换为电能的发电装置，由于其清洁、高效、燃料适应性广的特点而在世界各国得到大力发展。然而，传统的SOFC电池需要很高的工作温度（达800℃以上），限制了其进一步商业化发展。降低SOFC的工作温度首先需要寻找在中温（500-800℃）工作性能良好的电解质及电极材料。传统的电解质材料掺杂的氧化锆（YSZ）在中温下的氧离子电导率较低，而新型的掺杂的CeO2基的电解质材料虽然具有较高的离子电导率，但其在SOFC阳极工作气氛下产生的电子电导使得其全电池的输出性能及能量转换效率大大降低，不利于其实际推广应用。 本研究通过向Sm0.2Ce0.8O2-δ（SDC）主相中添加少量的作为电子阻挡相的BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb)第二相，对形成的不同质量分数的复合电解质（B15S85、B30S70）的物相结构、微观形貌、致密度、不同气氛中的电导率、及其SOFC全电池的性能等进行了探究，并与SDC、BZCYYb单相的相应结果进行对比。结果表明，复合电解质的两相之间化学相容性良好，但两相元素之间存在互扩散，且其平均晶粒粒径随BZCYYb含量的增加而减小，而相对密度则随之增加。通过电化学阻抗谱测试得到B15S85、B30S70在600℃湿空气中的电导率分别为0.017、0.013Scm-1，高于SDC和BZCYYb的0.011和0.009Scm-1。相反，其在湿5%H2-N2和H2中的电导率则低于单相的SDC。具有复合电解质的全电池的开路电压高于以SDC而低于以BZCYYb为电解质的全电池。在以La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-δ和SDC复合材料为阴极、Ni-SDC为阳极的不同电解质的SOFC全电池中，B15S85全电池具有最高的输出功率，在650℃达到0.891W/cm2,这是由于其具有较高的开路电压（0.91V，500℃）和显著降低的极化电阻（0.758Ωcm2，500℃）。

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