中文摘要：

固体氧化物燃料电池是一种新型的高效能源转换装置。与传统的平板式及管式SOFC相比，微管式结构具有一些潜在优势，诸如体积能量密度更高、抗热震性能好、启动和稳定时间快等，成为近年来研究的热点。其主要的应用领域为需要快速启动的备用及移动用设备的辅助电源。由于在工作条件下经常需要反复启动，此时电极在氧化还原作用下产生的内应力会明显破坏阳极/电解质界面的完整性内应力的变化，从而导致电池性能衰减甚至失效。本项目拟采用相转化纺丝并结合浸渍涂敷技术制备微管式SOFC，研究其在氧化还原循环过程中的电化学行为特征，并针对传统X射线衍射法无法分析材料内部应力变化的缺点，采用拉曼光谱技术研究阳极半电池中电解质表面、电解质/阳极界面及阳极内部的应力演变规律，分析氧化还原循环对阳极微结构以及电池电化学行为的影响，研究工作对于揭示微管式SOFC在反复启动过程中微结构的演变、提高SOFC的可靠性等方面具有重要的科学意义。

结论摘要：

采用相转化纺丝技术制备了NiO-YSZ中空纤维阳极，考察了纺丝工艺条件包括纺丝压力、内凝固浴流速和空隙长度对阳极形貌的影响，获得优化制备工艺。采用不同N2压力制备了NiO-YSZ中空纤维阳极，当N2压力为0.1MPa制备的电池具有最高的最大功率密度值为0.54W？cm？2。制备了阳极支撑微管式SOFC。随着NiO含量的增加，阳极的孔隙率和电导率升高，电池的放电功率也随之提高。引入阳极功能层后，电池的功率输出继续增加。采用LSM-YSZ两相质量比为60:40的复合阴极材料，800℃组装的微管式SOFC其最大功率密度为0.85W？cm？2。制备了阳极支撑ScSZ电解质微管式SOFC，800℃电池的最大功率密度为1.0W？cm？2；进一步考察了其在NH3气氛下的电化学性能，800℃最大功率密度为0.782W？cm？2。为了提高微管式SOFC的机械强度，在中空纤维阳极当中采用具有较高断裂强度的3YSZ替代了8YSZ。同Ni-8YSZ中空纤维阳极相比，Ni-3YSZ中空纤维阳极的孔隙率增加，电导率降低，断裂强度增加。 采用原位拉曼光谱技术考察了微管式SOFC在氧化还原过程中的应力演变机制，发现随着温度升高电池YSZ电解质呈现压应力，700℃应力大小为70.85MPa，随着阳极被还原，峰位置向高频方向移动，还原30min后，应力减小为35.42MPa。随后测试了电池在氧化还原过程中应力变化，发现随着氧化还原次数增加，峰位置同样也向高频移动，表明压应力减小。 采用相转化法一步制备了具有双孔道结构的平板阳极。当NiO-YSZ与PESf的质量比为10:1、NiO含量为50%，凝固浴深度为10.5cm时，所制备阳极的海绵孔道层厚度最薄(45μm)，800℃电池的最大功率密度值为1.15W？cm？2。制备了双孔道阳极支撑ScSZ电解质平板式SOFC， 800℃最大功率密度值为1.97W？cm？2。 通过溶胶-凝胶法制备了Ba0.5Sr0.5Fe1-xAlxO3-δ(BSFAx，x = 0 - 0.2)系列阴极材料。当Al的掺杂量x≤0.09时，材料能够得到纯相，并随着Al掺杂量的增加，BSFAx的热膨胀系数和电导率逐渐减小，其中BSFA0.09具有最高的非化学计量氧含量和最低的极化电阻和阴极过电位，在800℃下，极化电阻Rp为0.26 Ω？cm2。