Bi基低温固体氧化物燃料电池低成本制备与研究

The major challenge for SOFC commercialization is to lower its operating temperature to low temperatures(LTs≤600oC). For the increased ohmic and polarization loss, it necessary to develop low temperature high performance critical materials, such as higher ionic conductivity electrolytes and high catalytic activity electrodes. Isovalent cation stabilized bismuth oxides (SBO) has the highest oxygen ionic conductivity at LTs, however it may decompose to Bi which can make it not working in SOFC conditions. With regards to this, low cost fabrication techniques for SBO layers and reducing gas barrier layers were developed to obtain the high cell performance at low temperatures. For the lacking of cathode materials which can work below 600oC with relatively high cathode performance, developing good thermal match and high catalytic activity electrode materials with high ionic conductivity at LTs can meet the demand of high performance low temperature SOFCs. Meanwhile, it is the first time to apply the SBO materials to the SOEC research which can expand the research areas. Mature SOFC techniques can boost the SOFC commercialization, and this will reduce the start-up and operation cost of the SOFC power generation system greatly and increase the possibility of market application.

限制传统SOFC商业化的一个主要因素是其高的工作温度。考虑低温下（≤600oC）欧姆及极化损失增加，发展新型低温高性能关键材料势在必行。等价离子掺杂Bi2O3体系是目前发现的在低温下氧离子电导最高的电解质材料，但不能在SOFC条件下工作。鉴于此，低成本制备Bi基电解质及抗还原气体阻隔层，保证Bi基材料在低温段获得高电池性能。针对600oC以下工作的阴极材料较少且性能不佳状况，开发新的热匹配性好、催化活性高及低温电导高的阴极材料，以满足高性能低温SOFC的要求。同时，首创性将Bi基材料应用于SOEC研究中，扩展SOEC研究范围。成熟的低温SOFC技术可更快促进产业化，极大地降低SOFC电堆发电体系的启动及运行成本。

本基金项目通过低成本方法了制备氧化铋基双层电解质及氧化铈基抗还原气体阻隔层，同时开发出热匹配性好、催化活性高及低温段电导高的新体系阴极材料，使得固体氧化物燃料电池在低温段具有高电化学性能，提升了固体氧化物燃料电池低温化的应用潜力。研究主要围绕掺杂的氧化铋（ESB/YSB/DWSB）材料开展了双层电解质的制备方法、工艺优化，微观结构、电化学性能研究；相关的电极开发以及反应机理研究。项目研究取得的主要成果有：（1）采用共烧结合溶液浸渍法成功制备了YSZ|DBO双层电解质电池并在低温范围得到了优异的输出功率。研究揭示出氧化铋系列双层电解质电池性能随温度变化的规律和内在原因；（2）创新性地采用微波烧结替换传统固相烧结法制备Bi基双层电解质，通过由内而外的体加热方式，实现电解质层的低温快速烧结，减少元素挥发，有效提升了电池性能；（3）研究阴极材料和双层电解质等在电池运行中的电化学过程与机理，通过掺杂改性等方法开发新的热匹配性好、催化活性高及低温电导高的阴极材料；（4）研究了其它途径实现SOFC电池低温化的方法，如通过Ba扩散原位生成电子阻隔层提高氧化铈基电解质单电池的开路电压；将ESB作为烧结助剂引入电解质材料，既降低了电池的制作成本，又提高了电化学性能；还研究了新型质子导体LCO材料作为SOFC电解质与阴极的应用。上述研究成果使我们对Bi基低温SOFC电池的性能变化规律和电极反应机理有了深入的认识，为后续的实验和研究打下了坚实基础，而针对Bi基SOFC电池开发的低成本制备工艺更让我们对未来种低温SOFC电池的商业化应用充满信心。.此外，在基金项目资助下培养毕业了10 名研究生，在国际专业杂志上发表了25篇研究论文，获得发明专利两项。