固体氧化物燃料电池(SOFC)是第四代燃料电池,因为采用全固态的电池组件,与其他种类的燃料电池相比,SOFC还具有工作噪音小、电极反应过程迅速和燃料适应性强等优点。为了实现SOFC商业化的目标,进一步提高SOFC的输出性能、延长SOFC的工作寿命至关重要。电解质是SOFC中最核心的部件,电解质的性能和稳定性直接决定单电池及电池堆的性能和稳定性。在500～800℃的中温区,掺杂CeO2电解质的电导率比YSZ电解质的电导率高近1个数量级,是很有发展潜力的中温SOFC电解质材料。然而掺杂CeO2电解质在低氧分压下会出现电子导电,导致电池输出性能下降。BaCeO3基电解质比其他钙钛矿型氧化物电解质具有更高的质子电导率,导电活化能较低,几乎不传导电子,但是BaCeO3基电解质材料的化学稳定性较差,很容易与水蒸气(或二氧化碳)反应分解为氢氧化钡(或碳酸钡)与二氧化铈,导致电池无法正常工作。与BaCeO3基电解质材料相比,BaZrO3基电解质材料在含水或二氧化碳的气氛中具有很好的化学稳定性。然而BaZrO3基电解质材料难以烧结致密,电导率很低。单相BaZrO3基电解质没有实用价值。在中温SOFC的研究工作中,开发电导率高、稳定性好的新型电解质材料具有重要意义。SOFC的输出性能不仅取决于电解质的性能,还取决于电极—电解质界面的电化学特性。在电池工作过程中,阴极—电解质界面极化电阻通常远大于阳极—电解质界面极化电阻,因此减小阴极—电解质界面极化电阻也是提高电池输出性能的重要方法。实验发现,电解质的导电性和阴极—电解质界面的微观结构均对阴极—电解质界面极化电阻有显著影响。因此,在开发新电解质材料的同时,研究阴极和新电解质之间界面的电化学特性很有必要。本文以掺杂Ce02电解质为主要研究对象,运用复合材料的设计思想,制备导电性良好、稳定性良好的新型复合电解质材料,通过电化学阻抗测试研究其电化学特性,研究阴极和新电解质之间界面的电化学特性并分析产生原因,为设计电导率更高、稳定性更好的中温SOFC电解质材料奠定基础,最终达到提高SOFC输出性能、延长SOFC工作寿命的目的。我们此前的研究工作表明：在Ce0.85Sm0.15O1.925 (SDC)中加入少量BaCe0.83Y0.17O3-δ (BCY)制成的复合电解质的晶界电导率高于单相SDC和单相BCY电解质的晶界电导率；以上述复合材料为电解质的单电池输出性能高于以SDC和BCY为电解质的单电池输出性能,且BCY能够抑制SDC中的电子导电。SDC和BCY复合产生了新的导电特性,值得进一步研究。为了使这种新特性表现得更明显,本文在此前工作的基础上,选择提高BCY电解质在复合电解质中所占的比例。将SDC电解质材料和BCY电解质材料分别以质量比9：1、8：2、7：3和5：5复合,制成SDC-BCY复合电解质。通过XRD研究其微观结构,通过SEM照片观察其微观形貌,通过电化学阻抗测试对其电化学特性进行系统分析。XRD结果显示,在1400℃烧结10h的SDC—BCY复合电解质样品中仅含有立方萤石结构的SDC相和钙钛矿结构的BCY相,没有其他相生成。随着BCY含量增加,电解质样品的平均晶粒尺寸减小。阻抗测试结果显示,当BCY的含量达到30 wt.%时,电解质样品的阻抗谱出现明显变化。通过计算阻抗谱中各圆弧对应的特征电容,确定样品的阻抗谱中包含两种晶界的频率响应。这种新现象在此前并未见报道。这两种晶界响应分别反映复合电解质中同相电解质的晶界阻抗和复合电解质中两相电解质之间界面的阻抗。两相电解质之间界面的电容和电阻分别大于同相电解质晶界的电容和电阻。复合电解质中BCY含量为10-20 wt.%时,电解质样品的晶界电导率高于SDC和BCY的晶界电导率,主要归因于清扫效应和杂质稀释。SDC-BCY复合电解质的电极界面极化电阻小于SDC和BCY的电极界面极化电阻,SB91的电极界面极化电阻最小。以复合电解质为支撑体,以Ni0.9Cu0.1Ox/SDC为阳极,以LaSr0.25Ba0.75Co2O5+δ (LSBC)为阴极,制成单电池,测试其输出性能。结果显示,随着电解质中BCY含量增加,单电池的开路电压提高,说明BCY可以抑制电解质中的电子传导。以SB91为电解质的单电池具有最好的输出性能,在800℃时最大功率密度达到0.495 W cm-2。在电解质材料阻抗谱的研究工作中,人们主要研究反映晶粒阻抗和晶界阻抗的部分,对阻抗谱中反映电极—电解质界面阻抗的部分的研究还未见报道。SOFC的输出性能不仅取决于电解质的性能,还取决于电极—电解质界面的电化学特性。因此,在研究电解质材料晶粒、晶界阻抗的同时,研究其电极—电解质界面阻抗至关重要。本文深入研究了SDC-BCY复合电解质样品电极—电解质界面电化学特性,结果表明样品的电极一电解质界面极化电阻随电解质电导率升高而减小,随电解质平均晶粒尺寸增大而增大。以SDC-BCY复合材料为电解质的单电池输出性能测试结果显示,随着电解质中BCY含量增加,单电池的开路电压提高。复合电解质中BCY含量为10wt.%时,单电池的最大功率密度明显高于以SDC为电解质的单电池的最大功率密度。SDC-BCY复合电解质是很有发展潜力的中温SOFC电解质,然而在含水(或二氧化碳)的气氛中,BCY的稳定性较差。以BCY为电解质不利于电池长时间稳定工作。在电池工作条件下,BaZrO3基电解质的稳定性明显高于BaCeO3基电解质的稳定性。然而BaZrO3基电解质材料难以烧结致密、电导率较低,单才BaZrO3基电解质几乎没有实用价值。为了设计出导电性良好、化学稳定性良好的中温SOFC电解质材料,延长SOFC的工作寿命,本文将SDC电解质材料和BaZr0.83Y0.17O3-δ(BZY)电解质材料分别以质量比9：1、8：2、7：3和5：5复合,首次制备出SDC-BZY复合电解质。通过XRD研究其微观结构,通过SEM照片观察其微观形貌,通过电化学阻抗测试对其电化学特性进行系统分析。XRD结果显示,在1400℃烧结10h的SDC-BCY复合电解质样品中仅含有立方萤石结构的SDC相和钙钛矿结构的BCY相,没有其他相生成。随着BZY含量增加,电解质样品的相对密度明显减小、平均晶粒尺寸明显减小,这是因为BZY难以烧结致密。在沸水中SDC-BZY复合电解质的稳定性明显高于SDC-BCY复合电解质的稳定性。随着BZY含量增加,电解质样品的晶粒电导率和晶界电导率均降低,电解质样品的电极界面极化电阻先减小后增大。以复合电解质为支撑体,以Ni0.9Cu0.1Ox/SDC为阳极,以LaSr0.25Ba0.75Co2O5+δ (LSBC)为阴极,制成单电池,测试其输出性能。结果显示,在以SDC—BZY复合材料为电解质的单电池中,以SZ91支撑的单电池具有最好的输出性能,在800℃时最大功率密度达到0.290 W cm-2。实验发现在SDC-BZY复合电解质中,SDC与BZY以9：1的质量比混合制成的SZ91电解质具有最高的电导率。SZ91电解质样品的相对密度为92.1%,如果能够提高其相对密度,SZ91电解质的导电性会进一步提高。为了进一步提高SZ91电解质的相对密度,本文将0.5 wt.% NiO作为助烧结剂加入SZ91中,首次制备出SDC-BZY-NiO新型多组分复合电解质。在SZ91中加入0.5wt.%NiO能够提高样品的相对密度,进而提高晶粒电导率和晶界电导率。以复合电解质为支撑体,以Ni0.9Cu0.1Ox/SDC为阳极,以L aSr0.25Ba0.75Co205+δ (LSBC)为阴极,制成单电池,测试其输出性能。结果显示,以SZ91N为电解质的单电池具有最好的输出性能,在800℃时最大功率密度为0.361 W cm-2。NiO是制做SOFC阳极的重要原材料。有研究表明,在电池制备和工作过程中,Ni会从阳极扩散至电解质。因此,研究少量NiO的加入对电解质性能的影响很有必要。我们此前的研究工作表明在SDC中加入0.5 at.% NiO可提高材料的离子电导率,提出NiO对SDC晶界处的含硅杂质具有清扫效应,同时NiO的加入并不改变空间电荷势。然而,关于少量NiO加入电解质后对电极—电解质界面的电化学特性产生的影响还未见报道。本文在SDC电解质材料中加入0.5at.% NiO制成SDCN电解质。通过XRD研究其微观结构,通过SEM照片观察其微观形貌,通过电化学阻抗测试对其电化学特性进行系统分析。XRD结果显示Ni2+不会进入Ce02的晶格取代Ce4+形成固溶体。NiO可以明显促进晶粒生长,这是因为在样品烧结早期出现了粘性流动烧结机制。阻抗测试结果显示SDCN的晶界电导率高于SDC的晶界电导率。电解质样品晶界电导率的高低取决于晶粒电导率、晶界处的含硅杂质、空间电荷势和平均晶粒尺寸。我们同时考虑上述影响晶界电导率的因素,计算得到SDC和SDCN的表观单位晶界电导率,并研究少量NiO的加入对样品杂质阻塞效应和空间电荷势的影响。发现NiO的加入可减小杂质阻塞效应,提高表观单位晶界电导率,同时并不影响空间电荷势。分别以SDC和SDCN为电解质,以SOFC阴极材料BaCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ(BCFN)为电极,制做对称电极电池。通过EDX研究电解质内部和电极—电解质界面处Si含量,通过电化学阻抗测试研究对称电极电池的电化学特性。选区EDX测试结果显示SDCN电解质中的硅含量高于SDC电解质中的硅含量；BCFN/SDCN界面处的硅含量低于BCFN/SDC界面处的硅含量。这说明在SDC中加入0.5 at.%NiO可以限制电解质中的含硅杂质向电极—电解质界面处的扩散,电化学阻抗测试结果表明以SDCN为电解质的对称电极电池的电极界面极化电阻小于以SDC为电解质的对称电极电池的电极界面极化电阻。分别以SDC和SDCN电解质为支撑体,以Ni0.9Cu0.1Ox/SDC为阳极,以BCFN为阴极,制成单电池,测试其输出性能。结果显示,以SDCN为电解质的单电池具有更好的输出性能,在800℃时最大功率密度达到0.745 Wcm-2。短期电池稳定性测试结果显示,在10h测试过程中以SDCN为电解质的单电池的开路电压没有衰减,电池具有很好的稳定性。