1、固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell-SOFC）燃料电池分类燃料电池分类n碱性燃料电池碱性燃料电池(Alkaline fuel cell-AFC)-氢氧化钾氢氧化钾/钠钠为电解质为电解质n磷酸燃料电池磷酸燃料电池(Phosphoric acid fuel cell-PAFC)-浓磷酸浓磷酸为电解质为电解质n质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell-PEMFC)-全氟或者部分氟化的磺酸型质子交换膜全氟或者部分氟化的磺酸型质子交换膜n熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池(Molten ca
2、rbonate fuel cell MCFC)-熔融的锂钾或锂钠碳酸盐为电解质熔融的锂钾或锂钠碳酸盐为电解质n固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell-SOFC)-氧化钇稳定的氧化锆膜为氧离子导体氧化钇稳定的氧化锆膜为氧离子导体1231899 年，年，Nernst发明了固体氧化物电解质而宣告开始发明了固体氧化物电解质而宣告开始1937年，年，Baur 和和Preis制造了第一个在制造了第一个在1000下运行的下运行的 陶瓷燃料电池陶瓷燃料电池1962 年美国的年美国的Weissbart 和和Ruka首次用甲烷作燃料首次用甲烷作燃料,为为 SOFC 的发展
3、奠定了基础的发展奠定了基础1986年年,400W管式管式SOFC 电池组在田纳西洲运行成功电池组在田纳西洲运行成功1989 年又在日本东京、大阪煤气公司各安装了年又在日本东京、大阪煤气公司各安装了3kW级级 列管式列管式SOFC发电机组发电机组,成功连续运行长达成功连续运行长达5000h,这标志这标志着着SOFC 研究从实验室规模向商业化发展又迈近了一步研究从实验室规模向商业化发展又迈近了一步SOFC的发展：的发展：我国硅酸盐固体氧化物燃料电我国硅酸盐固体氧化物燃料电池取得突破池取得突破n目前各类燃料电池中能量转化效率最高的“陶瓷电池”，竟是一枚约1毫米薄、巴掌大小的陶瓷片。从中科院上海硅酸盐
4、研究所获悉，该所固体氧化物燃料电池小组在国内率先取得突破进展，有能力将300片“陶瓷电池”层叠串联，功率可满足一户普通家庭用电需求。一块仅10厘米见方的陶瓷电池单片。其关键夹层是一片以氧化锆为主要成分的特种陶瓷，厚度为0.015毫米，比纸还薄。陶瓷薄膜正面涂有黑色的稀土金属复合氧化物，作为正极；反面是一层较厚的绿色“金属陶瓷”，作为负极。1.SOFC工作原理工作原理氧化钇稳定的氧化锆膜作氧化钇稳定的氧化锆膜作为电解质，在高温下为电解质，在高温下(900-1000)传递传递O2-，在电池中，在电池中起着起着传导传导O2-、分隔氧化剂、分隔氧化剂和燃料的和燃料的作用。作用。在阴极，氧分子得到电子在
5、阴极，氧分子得到电子还原为氧离子；氧离子在还原为氧离子；氧离子在电电解质隔膜两侧电势差与氧浓解质隔膜两侧电势差与氧浓度差驱动力度差驱动力的作用下，通过的作用下，通过电解质隔膜中的氧空位，定电解质隔膜中的氧空位，定向跃迁到阳极侧，并与燃料向跃迁到阳极侧，并与燃料进行氧化反应。进行氧化反应。外电路外电路优点：优点：n能量转换效率高能量转换效率高n固态电解质对硫污染的具有较高的耐受性更稳定固态电解质对硫污染的具有较高的耐受性更稳定n无污染，可实现零排放无污染，可实现零排放n全固态，无液态电极腐蚀和电解质液渗漏等问题全固态，无液态电极腐蚀和电解质液渗漏等问题n高温操作高温操作,余热利用率高余热利用率高
6、n不需要贵金属催化剂不需要贵金属催化剂2.SOFC的结构的结构阳极阳极阴极阴极电解质电解质 2.1 2.1 阳极阳极阳极的主要作用是为燃料的电化学氧化提供反应场所阳极的主要作用是为燃料的电化学氧化提供反应场所u必须在必须在还原气氛中稳定还原气氛中稳定u具有足够高的具有足够高的电子电导率和电子电导率和对燃料氧化反应对燃料氧化反应的的催化活性催化活性u必须具有必须具有足够高的孔隙率足够高的孔隙率，以确保燃料的供应及反应产物，以确保燃料的供应及反应产物的排除的排除u阳极材料还必须与其它电池材料在阳极材料还必须与其它电池材料在室温室温至至操作温度操作温度乃至更乃至更高的高的制备温度制备温度范围内范围内
7、化学上相容、热膨胀系数相匹配化学上相容、热膨胀系数相匹配SOFCSOFC阳极材料的基本要求：阳极材料的基本要求：（1 1）稳定性稳定性 在燃料气氛中，阳极材料必须在在燃料气氛中，阳极材料必须在化学性质化学性质、形貌形貌和和尺度尺度上保持稳定。上保持稳定。（2 2）电导率电导率 阳极材料在还原气氛中要具有足够高的电子阳极材料在还原气氛中要具有足够高的电子导电率，以降低阳极的导电率，以降低阳极的欧姆极化欧姆极化，同时还具备高的，同时还具备高的氧离子氧离子导电率导电率，以实现电极立体化。，以实现电极立体化。（3 3）相容性相容性 阳极材料与相接触的其它电池材料必须在阳极材料与相接触的其它电池材料必须
8、在室室温至制备温度温至制备温度范围内范围内化学上相容化学上相容。（4 4）热膨胀系数热膨胀系数 阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系数相匹配。数相匹配。（5 5）孔隙率孔隙率 阳极必须具有足够高的孔隙率，以确保阳极必须具有足够高的孔隙率，以确保燃燃料的供应及反应产物料的供应及反应产物的排出。的排出。（6 6）催化活性催化活性 阳极材料必须对燃料的电化学氧化反应阳极材料必须对燃料的电化学氧化反应具有足够高的催化活性。具有足够高的催化活性。（7 7）阳极还必须具有）阳极还必须具有强度高、韧性好、加工容易、成本低强度高、韧性好、加工容易、成本低的特点。的特点。阳极材料
9、及性能阳极材料及性能阳极催化剂有：阳极催化剂有：镍、镍、钴和贵金属材料钴和贵金属材料，其，其中金属镍具有高活性、中金属镍具有高活性、价格低的特点，应用价格低的特点，应用最广泛。在最广泛。在SOFCSOFC中，中，阳极通常由阳极通常由金属镍金属镍及及氧化钇稳定的氧化锆氧化钇稳定的氧化锆（YSZYSZ）骨架骨架组成。组成。（一）（一）Ni-YSZNi-YSZ金属陶瓷阳极金属陶瓷阳极（1）Ni-YSZ 金属陶瓷阳极的制备金属陶瓷阳极的制备管式管式SOFC通常采用化学气相沉积通常采用化学气相沉积-浆料涂覆法制备浆料涂覆法制备Ni-YSZ阳极；阳极；电解质自支撑平行板电解质自支撑平行板SOFC的阳极的阳
10、极制备可采用丝网印刷、溅射、喷涂制备可采用丝网印刷、溅射、喷涂等多种方法等多种方法电极负载型平板型电极负载型平板型SOFC的阳极制的阳极制备一般采用备一般采用轧膜、流延轧膜、流延等方法。等方法。轧膜法、轧膜法、rolledfilm：n一种陶瓷坯片的成型方法一种陶瓷坯片的成型方法o 粉料和有机黏结剂混合均匀o 在两个反向滚动的轧辊上反复进行混练，使黏结剂和粉料充分均匀分布，溶剂逐步挥发(必要时可开电风扇加速其挥发)，坯料由稀到稠，直至不粘轧辊o 混练好的坯料经过折迭、倒向、反复进行粗轧，将其中气泡排除，以获得均匀一致的膜层o 再逐渐缩小轧辊间的间距进行精轧，使之成为所需的薄膜(厚度可达十微米至几
11、毫米)n 轧膜常用黏结剂为聚乙烯醇或聚醋酸乙烯酯等有机高分子化合物，有时还加入分散剂，增塑剂等n 轧膜成型的优点是工艺简便，轧出的膜片表面光滑，均匀，致密n 反复轧膜，常会引入少量杂质，有时对产品电性能产生不利影响n 费时也较长，不便连续化操作n 主要用于薄片状电容器坯片、压电陶瓷扬声器(蜂鸣片)、滤波器坯片和厚膜电路基板坯片等（2）Ni-YSZ 金属陶瓷的物理性质金属陶瓷的物理性质|在在Ni中加入中加入YSZ的目的是使发生电化学反应的的目的是使发生电化学反应的三相界向空间扩展，即实现电极的立体化，并在三相界向空间扩展，即实现电极的立体化，并在SOFC的操作温度下保持的操作温度下保持阳极的多孔
12、结构及调整电阳极的多孔结构及调整电极的热膨胀系数极的热膨胀系数使其与其它电池组件相匹配。使其与其它电池组件相匹配。|YSZ作为作为金属金属Ni的载体的载体，可有效地防止在，可有效地防止在SOFC操作过程中金属粒子粗化。操作过程中金属粒子粗化。（3）金属陶瓷的稳定性）金属陶瓷的稳定性 uNi和和YSZ在还原气氛中均具有较高的化学稳定性，在还原气氛中均具有较高的化学稳定性，在在1000以下几乎不与电解质以下几乎不与电解质YSZ及及连接材料连接材料LaCrO3发生反应。发生反应。u在室温至在室温至SOFC操作温度范围内无相变产生操作温度范围内无相变产生。（4）Ni-YSZ金属陶瓷的导电性金属陶瓷的导
13、电性vNi-YSZ金属陶瓷阳极的导电率和其中的金属陶瓷阳极的导电率和其中的Ni含量密切相关。含量密切相关。v当当Ni的比例低于的比例低于30时时Ni-YSZ金属陶瓷的导电性能与金属陶瓷的导电性能与YSZ相似，相似，说明此时通过说明此时通过YSZ相的离子导电占主导地位相的离子导电占主导地位v当当Ni的含量高于的含量高于30时，由于时，由于Ni粒子互相连接构成电子导电通道，粒子互相连接构成电子导电通道，使使Ni-YSZ复合物的电导率增大三个数量级以上，说明此时复合物的电导率增大三个数量级以上，说明此时Ni金属的金属的电子电导在整个复合物电导中占主导地位电子电导在整个复合物电导中占主导地位渗域理论？
14、（）（）Ni-YSZ复合金属陶瓷阳极的热膨胀复合金属陶瓷阳极的热膨胀lNi-YSZ阳极的热膨胀系数随组成不同而发生阳极的热膨胀系数随组成不同而发生改变。改变。l随着随着Ni含量的增加含量的增加，Ni-YSZ的的热膨胀系数增热膨胀系数增大大。l严重的热膨胀系数不匹配会在电池内部引起较严重的热膨胀系数不匹配会在电池内部引起较大的应力，造成电池组件的碎裂和分层剥离。大的应力，造成电池组件的碎裂和分层剥离。可通过在电解质中掺入添加剂的方法降低应力。可通过在电解质中掺入添加剂的方法降低应力。（二）（二）Ni-SDC金属陶瓷阳极金属陶瓷阳极和和YSZ相比，由于相比，由于SDC(Ni-Sm2O3 掺杂的掺杂
15、的CeO2)具有具有较高的离子电导率较高的离子电导率，且在还原气氛中会产生一定的且在还原气氛中会产生一定的电子电导电子电导，因此，将，因此，将SDC等掺入到阳极催化等掺入到阳极催化剂剂Ni中，可以使电极上发生电化学反应的三相界得以向中，可以使电极上发生电化学反应的三相界得以向电极内部扩展，从电极内部扩展，从而提高电极的反应活性而提高电极的反应活性。NiO-SDC复合材料的制备可以采用复合材料的制备可以采用机械复合法机械复合法，即将和，即将和粉料混合后进行球磨，用量少时，用玛瑙研钵进行研磨。粉料混合后进行球磨，用量少时，用玛瑙研钵进行研磨。SSC=SDCSSC：samriastablizedce
16、riaSDC:samriadopedceria钐稳定铈钐稳定铈2.2 2.2 阴极阴极阴极的作用是为氧化剂的还原提供场所阴极的作用是为氧化剂的还原提供场所阴极材料必须在氧化气氛下保持阴极材料必须在氧化气氛下保持稳定稳定在在SOFC操作条件下具有操作条件下具有足够高的电子导电率足够高的电子导电率对氧气还原反应的对氧气还原反应的催化活性催化活性SOFC中阴极材料的基本要求：中阴极材料的基本要求：（）（）稳定性稳定性在氧化气氛中，阴极材料必须具有足够的化学稳定性，在氧化气氛中，阴极材料必须具有足够的化学稳定性，且其形貌、且其形貌、微观结构、尺寸等在电池长期运行过程中不能发生明显微观结构、尺寸等在电池
17、长期运行过程中不能发生明显变化。变化。（）（）电导率电导率阴极材料必须具有足够高的电子电导率，以降低在阴极材料必须具有足够高的电子电导率，以降低在操作过程中阴极的欧姆极化；此外，阴极还必须具有操作过程中阴极的欧姆极化；此外，阴极还必须具有一定的离一定的离子导电能力子导电能力，以利于氧化还原产物向电解质的传递。，以利于氧化还原产物向电解质的传递。（）（）催化活性催化活性阴极材料必须在阴极材料必须在SOFCSOFC操作温度下，对氧化还原反应操作温度下，对氧化还原反应具有具有足够高的催化活性足够高的催化活性，以降低阴极上电化学活化极化过电位，提高，以降低阴极上电化学活化极化过电位，提高电池的输出性能
18、。电池的输出性能。（）（）相容性相容性阴极材料必须在阴极材料必须在SOFC制备和操作温度下与制备和操作温度下与电解质材料、连接材料或双极板材料与密封材料电解质材料、连接材料或双极板材料与密封材料化学上相化学上相容。容。（）（）热膨胀系数热膨胀系数阴极必须在阴极必须在室温室温至至SOFC操作温度操作温度，乃，乃至更高的至更高的制备温度制备温度范围内与范围内与其他电池材料热膨胀系数相匹其他电池材料热膨胀系数相匹配配。（）（）多孔性多孔性 SOFC的阴极必须具有足够的的阴极必须具有足够的孔隙率孔隙率，以确，以确保活性位上氧气的供应。保活性位上氧气的供应。阴极材料及性能阴极材料及性能（一）（一）Sr掺
19、杂的掺杂的LaMnO3（LSM）LSM具有在氧化气氛中具有在氧化气氛中电子电导电子电导率高率高与与YSZ化学相容性好化学相容性好等特等特点，通过修饰可以调整其热膨胀点，通过修饰可以调整其热膨胀系数，使之与其他电池材料相匹系数，使之与其他电池材料相匹配。配。（）（）LSM粉体的合成粉体的合成固相反应法的过程：首先将固相反应法的过程：首先将各种氧化物按化学计量比各种氧化物按化学计量比混合均匀，然后在高温下焙烧足够的时间，研磨后制的混合均匀，然后在高温下焙烧足够的时间，研磨后制的LSM粉末。粉末。液相反应法的过程：首先按化学计量比配制液相反应法的过程：首先按化学计量比配制La(NO3)36H2O S
20、r(NO3)2和和Mn(NO3)2的混合溶液，然后的混合溶液，然后往混合溶液中加入柠檬酸和聚乙烯醇；将溶液中的水分蒸往混合溶液中加入柠檬酸和聚乙烯醇；将溶液中的水分蒸发至形成透明的无定形树脂；继续加热使树脂分解即可制发至形成透明的无定形树脂；继续加热使树脂分解即可制成复合氧化物成复合氧化物LSM的前躯体；将前躯体在一定的温度下焙的前躯体；将前躯体在一定的温度下焙烧，即可制的具有烧，即可制的具有钙钛矿结构的钙钛矿结构的LSM超细粉超细粉。（）（）LSM的结构的结构Mn和离子构成和离子构成MnO6八面体结构，而八个八面体结构，而八个MnO6通通过共用离子分布于立方体的八个顶点上。过共用离子分布于立
21、方体的八个顶点上。La离子离子位于立方体的中心。位于立方体的中心。（）（）LSM的导电性能的导电性能 LaMnO3为为本征半导体，电导率很低本征半导体，电导率很低。如在室温下。如在室温下LaMnO3的电导率的电导率为为10-4-1cm-1，700时为时为0.1-1cm-1。但是，在但是，在LaMnO3位和位位和位掺掺杂低价态的金属离子，会使材料的电导率大幅度提高。在杂低价态的金属离子，会使材料的电导率大幅度提高。在LaMnO3中掺中掺杂杂SrO，Sr2+会代替会代替La3+增加增加Mn4+的含量，从而大幅度提高材料的电子的含量，从而大幅度提高材料的电子导电率。导电率。（）（）LSM和和YSZ等
22、其他电池材料的化学相容性等其他电池材料的化学相容性 LSM与其他电池材料的热膨胀系数的匹配性，掺与其他电池材料的热膨胀系数的匹配性，掺杂杂Sr可以增加可以增加LaMnO3的热膨胀系数的热膨胀系数，且随着，且随着掺杂量的增加掺杂量的增加LSM热膨胀系数增大热膨胀系数增大（1）Sr、Mg掺杂的掺杂的LaGaO3（LSGM、La1-xSrxGa1-yMgyO3）1*LSGM的合成的合成 LSGM电解质材料的合成通常采用高温固相反应法。按电解质材料的合成通常采用高温固相反应法。按化学计量比将化学计量比将La2O3SrCO3和掺杂剂和掺杂剂Ga2O3MgO混合混合均匀，在均匀，在1000焙烧焙烧6h，将
23、得到的粉料重新研磨，将粉料，将得到的粉料重新研磨，将粉料在在1500下焙烧下焙烧15h，即获得，即获得LSGM烧结体；将烧结体在烧结体；将烧结体在研钵内加入乙醇研磨研钵内加入乙醇研磨12h，即可获得，即可获得LSGM粉料。粉料。LSGM的合成还可采用的合成还可采用“氨基乙酸硝酸盐氨基乙酸硝酸盐”燃烧法，燃烧法，柠檬酸法。柠檬酸法。LSGM的结构的结构LaGaO3具有具有扭曲的扭曲的钙钙钛矿钛矿结结构，构，倾斜的倾斜的GaO6八面体八面体位于正六位于正六面体的八个顶点上，面体的八个顶点上，La位于正六面体的中位于正六面体的中心，组成正交结构的心，组成正交结构的晶胞。晶胞。的电导性能的电导性能LS
24、GM的的电导率随温度的升高而增大电导率随温度的升高而增大，随着，随着Sr和和Mg对钙钛矿结构中的对钙钛矿结构中的位位La和位的和位的Ga进行取代而产生的，进行取代而产生的，Sr和和Mg对电导活化能有不同影响，对电导活化能有不同影响，增增加加Sr的含量会降低电导活化能的含量会降低电导活化能。与此相反，。与此相反，增加增加Mg的掺杂量会使电导活化能的掺杂量会使电导活化能增加增加。这种差异与两种离子的离子半径电荷比的不同有关。这种差异与两种离子的离子半径电荷比的不同有关。与其它电池材料的化学相容性与其它电池材料的化学相容性当当LSGM用作用作SOFC的阴极材料时，对的阴极材料时，对LSGM与各种电池
25、材料的化学相容性，与各种电池材料的化学相容性，及材料本身在氧化还原气氛中的稳定性必须予以重视。及材料本身在氧化还原气氛中的稳定性必须予以重视。Ni是是SOFC中最普遍中最普遍采用的阳极材料，因此采用的阳极材料，因此LSGM与与Ni或氧化态的或氧化态的NiO的化学相容性显得尤为重的化学相容性显得尤为重要。要。的热膨胀系数的热膨胀系数的的热膨胀系数随着掺杂量的增大而增大热膨胀系数随着掺杂量的增大而增大，掺杂量与其中的，掺杂量与其中的氧空位浓度呈正比。氧空位浓度呈正比。因在因在421发生发生正交到斜方晶系的物正交到斜方晶系的物相结构转变相结构转变而而产生大的收缩产生大的收缩。通过掺杂和，可将收缩降至
26、很。通过掺杂和，可将收缩降至很低。低。的机械性能的机械性能室温下，的室温下，的弯曲强度随掺杂量的增加而降低弯曲强度随掺杂量的增加而降低，因为，因为Mg2+的离子半径为的离子半径为0.086nm，而，而的离子半径仅为的离子半径仅为0.076nm，这，这种离子半径差异会导致种离子半径差异会导致晶胞参数的增大晶胞参数的增大，进而造成，进而造成机械强度的下降机械强度的下降。其它阴极材料其它阴极材料1*La1-xSmxCoO3-（LSC）既具有很）既具有很高的离子导电性高的离子导电性，又具有，又具有足够高的足够高的电子导电性电子导电性，很有希望作为，很有希望作为中温中温SOFC的阴极材料的阴极材料。LS
27、C在以在以SDC为为电解质的电解质的SOFC中作为阴极材料中作为阴极材料有很高活性。但是，有很高活性。但是，LSC由于其在由于其在高高温下会与发生反应温下会与发生反应而而不能作为以为电解质不能作为以为电解质SOFC的阴极的阴极。2*La1-xSrxCo1-yFeyO3-（LSCF）的）的电导率随掺杂量的增加而下降电导率随掺杂量的增加而下降，电导率峰值产生的温度也从电导率峰值产生的温度也从200升高到升高到920。La:Sr的比例对材料的比例对材料的性能也有较大影响。的性能也有较大影响。x=0.4时时LSCF的峰值电导率达到的峰值电导率达到350 S.cm-1，而对而对x0.2的材料，其电导率的
28、峰值为的材料，其电导率的峰值为160 S.cm-1钐、Samarium锶、锶、Strontium在在SOFC 系统中。系统中。电解质电解质的最主要功能是的最主要功能是传导离子传导离子,而电解而电解质中的质中的电子传导会产生两极短路消耗能量电子传导会产生两极短路消耗能量,从而减少电池从而减少电池的电流输出功率的电流输出功率电解质要具有电解质要具有较大的离子导电能力且电子导电能力要尽可较大的离子导电能力且电子导电能力要尽可能小能小。由于氧化还原气体渗透到气体电极和电解质的三相界面处由于氧化还原气体渗透到气体电极和电解质的三相界面处会会发生氧化还原反应发生氧化还原反应,为了阻止氧化气体和还原气体的相
29、为了阻止氧化气体和还原气体的相互渗透互渗透,电解质必须是致密的隔离层电解质必须是致密的隔离层。由于电解质的两侧分别与阴、阳极材料相接触由于电解质的两侧分别与阴、阳极材料相接触,并暴露于并暴露于氧化性或还原性气体中氧化性或还原性气体中,这就要求电解质这就要求电解质在高温运行的环在高温运行的环境中仍能保持较好的化学稳定性境中仍能保持较好的化学稳定性。电解质的晶体稳定性也很重要电解质的晶体稳定性也很重要,因为因为晶体相变晶体相变如果如果伴随有伴随有较大的体积变化较大的体积变化,将会使将会使电解质产生裂纹或断裂电解质产生裂纹或断裂。n因此因此,电解质材料在电解质材料在制造、运行环境中制造、运行环境中保
30、持保持化学成分化学成分,组织组织结构结构,形状形状和和尺寸尺寸的稳定是很重要的。的稳定是很重要的。n目前常用的电解质材料有目前常用的电解质材料有氧化锆基、氧化铈基、氧化铋基氧化锆基、氧化铈基、氧化铋基的钙钛矿型的钙钛矿型陶瓷材料等陶瓷材料等3.电解质材料电解质材料稳定的稳定的（YSZ）在中，的最重要的用途是制备成致密在中，的最重要的用途是制备成致密的薄膜，用于的薄膜，用于传导氧离子和分隔燃料与氧化剂传导氧离子和分隔燃料与氧化剂。阴极电解质阳极阴极电解质阳极“三合一三合一”组件有两种组件有两种基本结构：电解质支撑型和电极支撑型。两种不同结构基本结构：电解质支撑型和电极支撑型。两种不同结构“三合一
31、三合一”组件的电解质薄膜厚度不同。组件的电解质薄膜厚度不同。电解质支撑型电解质支撑型的的YSZ薄膜厚度一般在薄膜厚度一般在200以上以上，电极支撑型电极支撑型的的YSZ薄膜薄膜厚度一般在厚度一般在5-20之间。薄膜的制备方法分为两之间。薄膜的制备方法分为两类：一类是基于类：一类是基于粉体的制备方法；另一类是沉积法粉体的制备方法；另一类是沉积法。的结构的结构目前所用的电解质目前所用的电解质YSZ,即在即在ZrO2中中8%-10%(mol)的氧化钇的氧化钇(Y2O3)。纯氧化锆是绝缘体。纯氧化锆是绝缘体,当当Y2O3 和和ZrO2混合后混合后,晶格中一部晶格中一部分分Zr4+被被Y3+取代取代,当
32、当2个个Zr4+被被2 个个Y3+取代取代,相应地相应地,3 个个O2-取代取代4 个个O2-,空出一个空出一个O2-位置位置,因而因而,晶格中产生一些氧离子空位。晶格中产生一些氧离子空位。O2-通过氧空位在电解质中输运通过氧空位在电解质中输运空位个产生取代221232OZrOOY的导电性的导电性的离子导电行为受多种因素的影响，这些因素包括掺杂浓度的离子导电行为受多种因素的影响，这些因素包括掺杂浓度温度温度气氛和晶界等。气氛和晶界等。（）（）稳定剂掺杂量的影响稳定剂掺杂量的影响-（摩尔分数）（摩尔分数）的的电电导率最高导率最高。其它浓度时，每一个氧空位均被束缚在缺陷复合体中，迁。其它浓度时，每
33、一个氧空位均被束缚在缺陷复合体中，迁移比较困难。移比较困难。（）（）温度的影响温度的影响全稳定的全稳定的的电导率随温度的变化的电导率随温度的变化符合阿伦尼乌斯方程。符合阿伦尼乌斯方程。（）（）气象分压的影响气象分压的影响在在很宽的氧分压范围内离子导电率与很宽的氧分压范围内离子导电率与气相氧分压无关气相氧分压无关，且离子传递系数接近于，且离子传递系数接近于（）（）晶界的影响晶界的影响对对小晶粒小晶粒陶瓷，其晶界电导率陶瓷，其晶界电导率不受晶粒尺不受晶粒尺寸大小的影响寸大小的影响，对于，对于大晶粒大晶粒陶瓷，陶瓷，晶界电导率随晶粒尺寸的增晶界电导率随晶粒尺寸的增加而下降加而下降。的化学稳定性和热膨
34、胀系数的化学稳定性和热膨胀系数在在SOFC的的操作温度范围内操作温度范围内，YSZ不与其它电池材料发生化学反应不与其它电池材料发生化学反应。在。在高高温下，温下，YSZ与与LSM发生反应发生反应，在，在界面处生成不导电相界面处生成不导电相。必须。必须将这种反应将这种反应降至最低，以免造成电池性能的下降降至最低，以免造成电池性能的下降。未掺杂的未掺杂的ZrO在在20-1180温度范围温度范围内的热膨胀系数为内的热膨胀系数为8.1210-6 cm/(cm*K)，掺杂的，掺杂的ZrO通常具有通常具有较高的热膨胀系数较高的热膨胀系数的机械性能的机械性能 YSZ在室温下的弯在室温下的弯曲强度为曲强度为3
35、00-400MPa，断裂韧性为断裂韧性为./2在在SOFC的研究与开发过程中，迫切需要提高电解质材料的强度和韧性，采的研究与开发过程中，迫切需要提高电解质材料的强度和韧性，采用最多的方法是在用最多的方法是在YSZ中中掺入一种或几种其它氧化物掺入一种或几种其它氧化物。研究前景研究前景nSOFCSOFC技术已经取得了很大的进步技术已经取得了很大的进步,但仍然有许多关键性的但仍然有许多关键性的问题需要解决。首先是降低问题需要解决。首先是降低SOFCSOFC的工作温度的工作温度,这就要求制这就要求制备薄且致密的电解质以降低电池的内阻备薄且致密的电解质以降低电池的内阻,并开发中低温下并开发中低温下电导率高的新型材料。电导率高的新型材料。n开发与电解质相匹配且电子和离子电导率高的新型电极开发与电解质相匹配且电子和离子电导率高的新型电极,目前主要的研究工作是改进制备工艺和对已有电极材料进目前主要的研究工作是改进制备工艺和对已有电极材料进行掺杂改性行掺杂改性,或开发新的材料体系。或开发新的材料体系。n为了使低成本的碳氢燃料得到广泛的应用为了使低成本的碳氢燃料得到广泛的应用,解决积碳问题解决积碳问题也是非常重要的方面。通过对已有的阳极材料进行稀土元也是非常重要的方面。通过对已有的阳极材料进行稀土元素的掺杂已取得了一定的成果素的掺杂已取得了一定的成果,但仍需进一步的研究。但仍需进一步的研究。
