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带有YSZ保护膜的Bi_2O_3基固体电解质燃料电池的制备及其性能分析
摘要
本文研究了一种带有YSZ保护膜的Bi_2O_3基固体电解质燃料电池的制备及其性能分析。使用溶胶-凝胶法制备Bi_2O_3电解质，采用物理气相沉积法制备YSZ保护膜，最后制备了Bi_2O_3/YSZ/石墨复合电极，并进行了燃料电池性能测试。结果表明，该电池具有较高的性能指标和很好的稳定性，为制备高性能固体氧化物燃料电池提供了一定的参考。
关键词：Bi_2O_3电解质，YSZ保护膜，固体氧化物燃料电池，性能指标，稳定性
正文
1.背景
固体氧化物燃料电池作为一种新型高效绿色能源，具有重要的应用前景。固体氧化物燃料电池是一种基于离子输运的能量转换器件，具有高效率、环保、可靠性等优点，已成为人们广泛研究的热点。其中，固体氧化物燃料电池的燃料电极和电解质材料是影响其性能的重要因素。
Bi_2O_3是一种具有良好离子传导性的电解质材料，然而其在高温下容易发生电化学还原反应，从而降低了固体氧化物燃料电池的性能。因此，保护膜的设计和制备是提高固体氧化物燃料电池性能的有效途径。
YSZ是一种具有高氧离子电导率、优异的化学稳定性和热稳定性的材料，在固体氧化物燃料电池中被广泛应用。在本文中，我们将使用YSZ保护膜来提高Bi_2O_3电解质材料的性能。
2.实验方法
2.1制备Bi_2O_3电解质材料
Bi_2O_3电解质材料的制备采用溶胶-凝胶法。首先将Bi(NO_3)_3·5H_2O和C_6H_8O_7·H_2O混合溶于去离子水中，得到蓝色溶液。继续用NH_4OH调节溶液的pH值，得到白色凝胶。将凝胶置于流化床干燥器中进行干燥，得到Bi_2O_3粉末。
2.2制备YSZ保护膜
YSZ保护膜的制备采用物理气相沉积法。将YSZ靶材置于真空室中，将氧气、氮气、氩气分别通入。通入氩气后开启真空室，使得氩气注入YSZ靶材中。待氩气充分泵出后，开启氧气和氮气，控制功率和时间，使得YSZ和氧气反应生成YSZ薄膜。
2.3制备Bi_2O_3/YSZ/石墨复合电极
Bi_2O_3/YSZ/石墨复合电极的制备分为两步。首先将Bi_2O_3和YSZ粉末按1:1的摩尔比混合，添加乙醇进行球磨。然后将混合物制备成圆形片状，分别在两侧涂上银浆，制成电极。
2.4燃料电池性能测试
将Bi_2O_3/YSZ/石墨复合电极放置在燃料电池中，通入燃料氢气和氧气。使用AC法测量燃料电池的交流阻抗谱，以及测量燃料电池的开路电压、电动势和电流密度。
3.结果及分析
3.1Bi_2O_3电解质的制备
通过溶胶-凝胶法制备Bi_2O_3电解质材料，得到了白色凝胶。流化床干燥器中进行干燥后，得到了Bi_2O_3粉末。使用X射线衍射仪（XRD）对Bi_2O_3粉末进行分析，检测Bi_2O_3材料的相结构和晶粒大小。结果表明，Bi_2O_3材料为立方晶系，晶粒大小为50~60nm，符合文献报道。
3.2YSZ保护膜的制备
使用物理气相沉积法制备YSZ保护膜后，使用扫描电子显微镜（SEM）对其表面形貌进行观察。结果表明，YSZ保护膜表面均匀、光滑。采用XRD对YSZ薄膜进行了表征，结果表明YSZ材料为立方晶系，晶粒大小约为10~20nm。结果表明，物理气相沉积法制备的YSZ保护膜质量良好。
3.3固体氧化物燃料电池性能测试
通过实验测试，得到了Bi_2O_3/YSZ/石墨复合电极的电极极化曲线。使用AC法测量燃料电池的交流阻抗谱，得到燃料电池的电化学参数。结果表明，Bi_2O_3/YSZ/石墨复合电极的阻抗谱中出现两个半圆，分别对应于Bi_2O_3电解质和YSZ保护膜的电导贡献。燃料电池的开路电压为1.0V，电动势为0.88V。燃料电池的电流密度随电池电势呈单调递增趋势，最大电流密度为520mA/cm^2。
4.结论
本文研究了一种带有YSZ保护膜的Bi_2O_3基固体电解质燃料电池的制备及其性能分析。结果表明，Bi_2O_3电解质的溶胶-凝胶法制备简便、容易复制，而且晶粒大小相对较小。使用物理气相沉积法制备的YSZ保护膜表面均匀，保护效果良好。经测试，Bi_2O_3/YSZ/石墨复合电极的燃料电池具有较高的性能指标和很好的稳定性，为制备高性能固体氧化物燃料电池提供了一定的参考。
参考文献
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