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为了实现固体氧化物燃料电池(SOFCs)商业化发展,最关键的因素是降低SOFCs工作温度至中低温化,而发展高电导率SOFCs电解质材料和电解质薄膜化是解决SOFCs中低温化带来的欧姆损失问题的关键。目前研究较多的SOFCs电解质材料有掺杂的CeO2, LaGaO3及稳定的ZrO2基氧离子导体和掺杂的BaCeO3, BaZrO3基质子导体材料。本论文围绕上述几种电解质材料,在电解质结构设计、电解质薄膜的制备技术以及电化学性能优化方面进行研究。第一章主要介绍氧离子导体基SOFCs和质子导体基SOFCs的研究背景、发展状况和工作原理,总结了SOFCs电解质材料以及各自存在的问题,阐述了双层电解质结构的概念,并讨论将这种结构与SOFCs电解质材料相结合并应用的可能性。同时也分析了几种常用的电解质薄膜制备技术。第二章采用脉冲激光沉积法(PLD)成功的在阳极支撑的SDC电解质层表面制备出致密的8mol%Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)电子阻隔层和Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)缓冲层。实验结果表明由于PLD镀膜时衬底温度较低,从而可以避免传统化学法在高温烧结下容易引起CeO2和ZrO2层之间的界面反应。当YSZ层引入电解质结构中,相应的燃料电池开路电压(OCV)得到明显提高,表明PLD制备的YSZ层十分致密,能够有效阻隔Ce4+还原所产生的电子电导。通过在SDC/YSZ双层电解质表面沉积一层SDC缓冲层,不仅避免Smo.5Sro.5Co03-6(SSC)阴极和YSZ之间的反应和热膨胀不匹配问题,同时也降低了极化损失,获得较好的电池性能。上述结论表明PLD技术作为一种能在低温下沉积高质量薄膜的镀膜手段,可以广泛应用于SOFCs电解质薄膜的制备与研究。第三章通过对阳极衬底的优化,讨论了衬底表面形貌和结构对PLD制备的薄膜质量的影响。实验结果表明若在未优化的阳极上沉积薄膜,由于薄膜厚度相比于孔洞尺寸较小,造成难以完全覆盖阳极缺陷,在经过电池测试还原后阳极/电解质薄膜界面会出现裂纹,影响电池整体结构和电化学性能。经过功能层优化修复了表面尺寸较大的孔洞,在这种衬底上所制备的薄膜平整且未发现裂纹。此外,我们还比较了在两种不同阳极衬底上利用PLD技术制备YSZ/SDC双层电解质薄膜所对应的电池性能。在未优化衬底上制备的单电池性能衰减很快,而在优化的阳极衬底上制备的单电池获得了相当高的最大功率密度,750℃达到1.19Wcm-2,并且保持很好的长期稳定性,开路电压在750℃达到0.959V,远高于SDC单电解质电池性能,结果表明阳极优化对电池的性能和结构稳定性都有很大的帮助。第四章探讨了PLD沉积条件对(LSGM)薄膜质量的影响。基于LSGM具有很高的离子电导率,我们设计采用PLD技术在SDC半电池上制备LSGM电子阻隔层,探索沉积过程中氧分压大小以及后续退火温度对LSGM薄膜形貌、组分、粗糙度和相结构性质的影响。综合LSGM薄膜的沉积速度,质量以及化学计量比考虑,得出PLD制备过程中的最佳氧分压值。为了解决LSGM薄膜相结构的问题,我们研究不同退火温度对LSGM成相的影响,发现退火温度越高,LSGM结晶性越好,但高温容易造成Ga流失。最终我们将沉积的LSGM薄膜与阴极采取一步煅烧,既简化工艺流程又保证薄膜结晶度,也防止Ga挥发。此外,我们也研究了不同退火处理对应的SDC/LSGM双层电解质燃料电池的电化学性能,结果表明将LSGM退火与阴极煅烧在一个过程中完成,这样得到的电池性能最佳。SDC/LSGM双层电解质电池结构既起到了阻隔Ce4+产生的电子电导,同时也保护LSGM不与Ni基阳极反应,维持了良好的结构稳定性。第五章通过PLD技术在阳极支撑的BaCeo.8Yo.203-δ(BCY)电解质层表面制备BaZr0.8Yo.203-δ(BZY)薄膜,讨论不同厚度的BZY薄膜对BCY的化学稳定性和相应电化学性能的影响。实验结果表明当BZY厚度达到一定大小,对应的BCY/BZY双层电解质膜才能在CO2气氛中获得较好的化学稳定性。然而由于BZY厚度增加造成欧姆电阻增加,此外阴极与BZY匹配性较差,极化损失严重,从而相应的单电池最大功率密度随着BZY厚度增加而降低。通过实验结果得出,具有一定厚度的BZY对应的BCY/BZY双层电解质电池显示出良好的化学稳定性,并具有可观的电导率和电化学性能。第六章基于BaZro.7Pro.1Yo.203.6(BZPY)具有比BZY更高的电导率,实验采用PLD技术在BCY电解质表面制备BZPY薄膜,研究BCY/BZPY双层电解质膜的化学稳定性和电化学性能。实验结果表明BCY/BZPY双层电解质结构不仅具有很好的化学稳定性,而且在膜电导率及电池性能方面都比BCY/BZY性能有所提高,在700℃下单电池最大功率密度为250mW cm-2,双层膜电导率为6.02×10-3S cm-1,与传统稀土元素掺杂的BaCeO3基电解质性能也是可比的,表明BZPY层的引入不仅能有效的保护BCY结构不受C02影响,维持化学稳定性,同时也能保证较好的电池性能,作为质子导体基SOFCs电解质材料具有可观的发展前途。第七章对本论文的工作进行总结,并对双层电解质SOFCs以后的研究工作进行展望。