固体氧化物燃料电池电解质

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1、电化学社会期刊,153(6)A956-A960(2006)0013-4651/2006/153(6)/A956/5/$20.00©电化学的社会比较阳极支撑固体氧化物燃料电池在氢气和甲烷层中使用一层薄薄Ce0.9Gd0.1O1.95和BaCe0.8Y0.2O3−a的电解质的性能AtsukoTomita,aShinyaTeranishi,b,MasahiroNagao,b,TakashiHibino,b,,zandMitsuruSanob,a国立先进工业科学和技术（综合研究所），名古屋463-8560，日本b环境学研究生院，名古屋大学，名古屋464-8601，日本在

2、阳极支撑的Ni-Ce0.8Sm0.2O1.9上用溶胶凝胶法制备的多层Ce0.9Gd0.1O1.95/BaCe0.8Y0.2O3-a/Ce0.9Gd0.1O1.95（GDC/BCY/GDC）电解质。整体电解质厚度包括3微米厚的BCY层为30至35微米。当阴极在氢气与阳极在空气中的多层电解质电池在500-700°C的温度范围内进行测试，它产生846-1024mV的开路电压，均超过了在相同条件下单层GDC的电解质电池获得的753-933mV的开路电压。且在500，600和700℃时相应功率密度的峰值分别为273，731，和1025mW/cm2。多层电解质电池也适用于甲

3、烷固体氧化物燃料电池（SOFC）和含有甲烷和空气混合物的单室固体氧化物燃料电池。这些固体氧化物燃料电池产生880-950mV的开路电压和无焦化合理的功率密度。©2006电化学学会。分类号：10.1149/1.2186184保留所有权利。手稿于2005年11月25日提交;修改稿于2006年1月26日收到。于2006年4月6日通过。最近人们对在中温700°C或以下的固体氧化物燃料电池（SOFC）产生了相当大的兴趣。与聚合物电解质燃料电池（PEFCs）相比，中温固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池技术）不仅可以承受高浓度CO，而且可以在更高的电极反应速率中工作。不同

4、于传统的高温固体氧化物燃料电池，中温固体氧化物燃料电池技术允许的碳氢燃料直接使用，大大降低了燃料电池系统的复杂性。一个在固体氧化物燃料电池技术发展的关键问题是高度导电离子电解质的使用，因为在这种条件下会引起固体氧化物燃料电池内过度电阻的运作。铈基氧化物离子导体是前景广阔的电解质表现在其远高于氧化锆（YSZ）的离子电导率。与先进的阳极支持的电池结构结合，氧化铈基固体氧化物燃料电池可以在中温时维持合适的性能。在使用铈基电解质固体氧化物燃料电池遇到的主要技术问题是部分氧化铈在燃料气氛中会减少。在n-型导电电子中这样的结果造成电池内部局部电子短路。这也导致晶体的晶格膨胀

5、，导致内部电解质或电极界面的电解质被机械降解。因此，氧化铈基固体氧化物燃料电池必须在低于500°C加以处理，因为其中的热力学性能会抑制氧化铈减少。最近，我们提出了一个避免局部氧化铈的减少的有效途径。在掺杂Sm3+或Gd3+的氧化铈基片表面涂上一层0.5毫米厚度的BaO薄膜然后加热至1500°C。此时，在薄膜与基片之间的固态反应在基片表面形成一层10微米厚的BaCe1−xSmx(orGdx)O3−a薄层。使用这种有涂层的电解质，氢氧固体氧化物燃料电池在600-950℃温度范围的开路电压在1伏以上。且中间层在允许无分层和层开裂的情况下仍表现出了与电解质基材强烈的粘接

6、性。这个重要的优势超过通常涉及用室温溅射，离子镀，或溶胶凝胶的方法在氧化铈基电解质沉积一层氧化锆薄膜技术。然而，在原则上，我们的方法难以适用于阳极支持固体氧化物燃料电池，因为我们不能在阳极表面形成具有成长性电解质膜的中间层。此外，可能同时在阳极电解质界面形成如BaNiO3的绝缘体。在这项研究中，我们试图通过在两个铈基电解质薄膜之间插入事先准备好的BaCeO3基薄层来改善上面的方法。溶胶凝胶法是制造复合材料的最广泛使用的技术之一。这种技术允许在阳极表面制备一个高品质多层电解质。BaCe0.8Y0.2O3-a和Ce0.9Gd0.1O1.95由于高抗还原性和高离子电导

7、率分别被选中作为中间层电解质材料。含有多层电解质的固体氧化物燃料电池在400-700°C的温度范围测出含有氢气和甲烷。最后在对多层电解质电池应用到单室固体氧化物燃料电池的可行性进行评价。实验将质量分数分别为47.5%、47.5%、5.0%的NiO、Ce0.8Sm0.2O1.9、乙炔作为阳极粉末，往其中加入异丙醇混合物作溶剂，少量的吡啶作为分散剂，己二酸作为增塑剂，然后球磨24小时。接着，加入质量分数为30.0％的聚乙烯树脂作为粘合剂。再次球磨24小时直至形成均匀的悬浮液。将这些悬浮液投入用医用锯条割出的0.4毫米厚狭缝宽度的聚酯箔中。在110°C温度下干燥后，小

8、心的将阳极胶片从聚酯箔中