固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料的化学能直接转化为电能的电化学发电装置,具有高能量转换效率和环保等优点。传统的电解质支撑型SOFC需要在1000oC的高温下工作,以降低电池内阻和提高输出功率,但是过高的工作温度降低了电池寿命,提高了生产和材料成本。将SOFC的工作温度降到800oC以下的中温区能有效地解决这些问题。要保证电池在中温区仍能获得高输出性能,就必须降低电池的极化损失,其中包括电解质的欧姆极化、阴极与阳极的活化极化和浓差极化。为了降低电解质的欧姆极化,开发了浆料旋涂法,成功地制备出致密的8mol%YB2BOB3B稳定的ZrOB2B(YSZ)薄膜。研究了膜坯的热处理温度和旋涂次数对薄膜性能的影响。实验结果表明,每层膜坯的热处理温度为400oC,旋涂次数为3次时,可制得气密性良好的YSZ薄膜;使用14μm的YSZ薄膜制成的SOFC单电池在中低温获得优秀的输出性能,如电池800°C的开路电压为1.14V,650°C的最高功率密度为0.49W/cmP2P。3mol%YB2BOB3B掺杂的ZrOB2B(3Y-TZP)的机械强度高于YSZ,以3Y-TZP为原料可以增加电解质薄膜的强度和电池的可靠性,但是它的离子电导率低于YSZ。用浆料旋涂法制备了厚度为7μm的致密3Y-TZP薄膜,用此薄膜制成的单电池在850oC的最高功率密度为1.28W/cmP2P,该结果表明3Y-TZP薄膜电池也能获得与YSZ薄膜电池相比拟的输出性能。BaB0.5BSrB0.5BCoB0.8BFeB0.2BOB3-δB(BSCF)是一种高性能的新型中温阴极材料,为了避免它与YSZ接触发生不利的固相反应,用浆料旋涂法在YSZ薄膜上制备了SmB0.2BCeB0.8BOB1.9B(SDC)保护薄膜,通过一次共烧结制得致密的YSZ/SDC双层薄膜,单电池800°C的最高功率密度为0.64W/cmP2P。Sr掺杂的LaMnOB3B(LSM)是一种经典的SOFC高温阴极材料,为了降低该阴极在中低温区的极化电阻,研究了SDC浸渍的LSM阴极。实验结果表明,LSM阴极对氧气的电化学还原反应活性随着SDC浸渍量的增加而增强,但浸渍量的增加减少了阴极孔隙率,增大了氧气的传质电阻。阴极三相反应区的增加和孔隙率的减少之间的相互竞争决定了最佳的浸渍量。此外,浸渍量的选择也受到电池工作温度和阴极气氛的影响。比较了不同气氛下的LSM、LSM/YSZ和LSM/SDC的电化学性能对电池性能的影响。实验结果表明,空气气氛中,电荷转移过程为速率决定步骤,LSM/SDC阴极的性能最佳;氧气气氛中,温度高于700oC时,电荷转移过程和传质过程为共同决定步骤,LSM/YSZ阴极的性能最佳;而温度低于700oC时,电荷转移过程为决定步骤,LSM/SDC阴极性能最佳。浸渍方法极大降低了LSM阴极极化,此时阳极的极化电阻对电池性能的制约就不能忽略了。为了改善阳极性能,研究了干压法的表观成型压强对NiO/YSZ阳极粉体粒度和阳极支撑体性能的影响。粒度分布结果表明,表观成型压强低于200MPa时,NiO和YSZ颗粒大小几乎不变;压强大于500MPa时,8μm的大颗粒NiO破碎成0.6μm的小颗粒,而部分0.2μm的小颗粒YSZ结合生成9μm的大颗粒。表观成型压强为500MPa时,阳极支撑体的孔隙率、三相反应区及界面接触情况等综合性能达到最优。为了进一步改善阳极性能,在阳极支撑体上制备了阳极功能层(AFL),研究了AFL的厚度对电池性能的影响。实验结果表明,AFL不仅增加了电池的气密性,而且也扩大了阳极的三相反应区域。AFL的最优厚度为5μm,AFL的制备减小了YSZ薄膜的临界厚度。综上所述,利用本论文开发的浆料旋涂法,制备出了高质量的电解质薄膜;通过研究SDC浸渍的LSM阴极,改善了LSM阴极在中低温区的性能;通过阳极支撑体成型压强的优化和阳极功能层的引入,改善了阳极性能。综合使用本论文研究的优化条件,制备出了一个高性能的YSZ薄膜电池,该电池以空气和100ml/min氧气为氧化剂时,800°C的最高功率密度分别达到1.72W/cm P2P和2.84W/cm P2P。