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固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(Solid oxi
2、de 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n熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池(Molten carbonate 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：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O
4、2-、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
5、，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n不需要贵金属催化剂不需要贵金属催化剂SOFC分类分类p平板型平板型SOFCp管型管型SOFC平板型平板型SOFCSOFC 平板型平板型SOFC中中空气空气/YSZ固体固体电解质电解质/燃料电极燃料电极烧结成一体，烧结成一体，组成组成“三合一三合一”结构，其间用结构，其间用开设导气沟槽的双极板开设导气沟槽的双极板连接，连接，使其间相互串联构成电池组。使其间相互串联构成电池组。-氧化钇稳定的氧化锆膜氧化钇稳定的氧化锆膜-YSZ平板型平板型SOFC的优点：的优点：“三合一三合一”组件制备组件制备工艺简单工艺简单，造价低
6、造价低，电流收集均匀，电流收集均匀，流经路径短流经路径短，使平板型电池的输出功率密度较管式，使平板型电池的输出功率密度较管式高高。平板型平板型SOFC的缺点：的缺点：密封困难、抗热循环性能差、难以组装成大功率电池密封困难、抗热循环性能差、难以组装成大功率电池组。组。管型管型SOFC管式管式SOFC电池组由电池组由一端封闭一端封闭的管状单电池的管状单电池以以串联、并联串联、并联方式组装而成。每个单电池方式组装而成。每个单电池由内到外由由内到外由多孔支撑管、空多孔支撑管、空气电极、固体电解质薄膜和气电极、固体电解质薄膜和金属陶瓷阳极金属陶瓷阳极组组成。成。管型管型SOFC的优点：的优点：单电池间的
7、连接体设在还原气氛一侧，这样可使用廉价的金属材料作电流收单电池间的连接体设在还原气氛一侧，这样可使用廉价的金属材料作电流收集体。集体。单电池采用串联、并联方式组合到一起，可以避免当某一单电池损坏时电池单电池采用串联、并联方式组合到一起，可以避免当某一单电池损坏时电池组完全失效。用镍毡将单电池的连接体联结起来，可以减小单电池间的应力。组完全失效。用镍毡将单电池的连接体联结起来，可以减小单电池间的应力。电池组相对简单，容易通过电池单元之间并联和串联组成大功率的电池组。电池组相对简单，容易通过电池单元之间并联和串联组成大功率的电池组。一般在很高的温度下操作，主要用于固定电站，高温一般在很高的温度下操
8、作，主要用于固定电站，高温SOFC一般采用管型结构。一般采用管型结构。管式管式SOFC的缺点：的缺点：电流通过的路径较长，限制了电流通过的路径较长，限制了SOFC的性能。的性能。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必须在还原气氛中稳定必须在还原气氛中稳定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
9、除u阳极材料还必须与其它电池材料在室温至操作温度乃至更阳极材料还必须与其它电池材料在室温至操作温度乃至更高的制备温度范围内化学上相容、热膨胀系数相匹配高的制备温度范围内化学上相容、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，阳极材料必须在化学性质、在燃料气氛中，阳极材料必须在化学性质、形貌和尺度上保持稳定。形貌和尺度上保持稳定。（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，同时还具备高的氧离子，同时还具备高的氧离子导电
10、率，以实现电极立体化。导电率，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室阳极材料与相接触的其它电池材料必须在室温至制备温度范围内化学上相容。温至制备温度范围内化学上相容。（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
11、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及金属镍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
12、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。（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
13、极的多孔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作为金属作为金属Ni的载体，可有效地防止在的载体，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及连接材料及连接材料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
14、陶瓷的导电性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（
15、）（）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改变。阳极的热膨胀系数随组成不同而发生改变。l随着随着Ni含量的增加，含量的增加，Ni-YSZ的热膨胀系数增大。的热膨胀系数增大。l严重的热膨胀系数不匹配会在电池内部引起较大的应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。可通过在电解质力，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。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
16、杂的CeO2)具有较高的离子电导率，具有较高的离子电导率，且在还原气氛中会产生一定的电子电导，因此，将且在还原气氛中会产生一定的电子电导，因此，将SDC等掺入到阴极催化等掺入到阴极催化剂剂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机械复合法，即将和复合材料的制备可以采用机械复合法，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。2.2 2.2 阴极阴极阴极的作用是为氧化剂的还原提
17、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稳定阴极材料必须在氧化气氛下保持稳定在在SOFC操作条件下具有足够高的电子导电率操作条件下具有足够高的电子导电率对氧化还原反应的催化活性对氧化还原反应的催化活性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
18、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，阴极还必须具有一定的离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子导电能力，以利于氧化还原产物向电解质的传递。子导电能力，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，提高具有足够高的催化活性，以降低阴极上电化学活化极化过电位，提高电池的输出性能。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
19、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室温至阴极必须在室温至SOFC操作温度，乃操作温度，乃至更高的制备温度范围内与至更高的制备温度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与率高与YSZ化学相容性
20、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 Sr(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
21、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，即可制的具有钙钛矿结构的烧，即可制的具有钙钛矿结构的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为本征半导体
22、，电导率很低。如在室温下为本征半导体，电导率很低。如在室温下的电导率为的电导率为，时为时为。但是，在但是，在位和位掺杂地低价态的金属离子，会使材位和位掺杂地低价态的金属离子，会使材料的电导率大幅度提高。在料的电导率大幅度提高。在中掺杂，中掺杂，会代会代替替增加增加的含量，从而大幅度提高材料的电子导电率。的含量，从而大幅度提高材料的电子导电率。（）（）LSM和和YSZ等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 与其他电池材料的热膨胀系数的匹配性，掺杂可以增加与其他电池材料的热膨胀系数的匹配性，掺杂可以增加的热膨胀系数，且随着掺杂量的增加热膨胀系数增的热膨胀系数，且随着掺杂量的增加热膨胀
23、系数增大。大。（1）掺杂的）掺杂的（）（）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。按化学计量比电解质材料的合成通常采用高温固相反应法。按化学计量比将将和掺杂剂和掺杂剂 混合均匀，在混合均匀，在1000焙烧焙烧360min，将得到的粉料重新研磨，将粉料在，将得到的粉料重新研磨，将粉料在1500下焙烧下焙烧900min，即获得，即获得LSGM烧结体；将烧结体在研钵内加入乙醇研磨烧结体；将烧结体在研钵内加入乙醇研磨120min，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，柠檬酸法。燃烧法，柠檬酸法
24、。的结构的结构LaGaO3具有扭曲的具有扭曲的钙钙钛矿钛矿结结构，倾斜的构，倾斜的GaO6八面体位于正六八面体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的电导率随温度的升高而增大，随着和对钙钛矿结构中的电导率随温度的升高而增大，随着和对钙钛矿结构中的位和位的进行取代而产生的，和对电导活化能有不的位和位的进行取代而产生的，和对电导活化能有不同影响，增加的含量会降低电导活化能。与此相反，增加的掺杂量同影响，增加的含量会降低电导活化能。与此相反，增加的掺杂量会使电导活化能增加。这种差异与两种离子
25、的离子半径电荷比的不同有关。会使电导活化能增加。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用作的电解质材料时，对与各种电池材料的化当用作的电解质材料时，对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必须予以重视。是中最学相容性及材料本身在氧化还原气氛中必须予以重视。是中最普遍采用的阳极材料，因此与或氧化的化学相容性显得尤普遍采用的阳极材料，因此与或氧化的化学相容性显得尤为重要。为重要。的热膨胀系数的热膨胀系数的热膨胀系数随着掺杂量的增大而增大，增大浓度与其中的热膨胀系数随着掺杂量的增大而增大，增大浓度与其中的氧空位浓度呈正比。的
26、氧空位浓度呈正比。因在因在421发生正交到斜方晶系的发生正交到斜方晶系的物相结构转变而产生大的收缩。通过掺杂和，可将收缩降至物相结构转变而产生大的收缩。通过掺杂和，可将收缩降至很低。很低。的机械性能的机械性能室温下，的弯曲强度随掺杂量的增加而降低，因为室温下，的弯曲强度随掺杂量的增加而降低，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晶胞参数的增大，进而造成机械强度的下降。种离子半径差异会导致晶胞参数的增大，进而造成机械强度的下降。其它阴极材料其它阴极材料1*（LSC）既具有很高的离子导电性，又具有足够高）既具
27、有很高的离子导电性，又具有足够高的电子导电性，很有希望作为中温的电子导电性，很有希望作为中温SOFC的阴极材料。的阴极材料。LSC在以在以SDC为电解为电解质的质的SOFC中作为阴极材料有很高活性。但是，由于其在高温下会与中作为阴极材料有很高活性。但是，由于其在高温下会与发生反应而不能作为以为电解质发生反应而不能作为以为电解质SOFC的阴极。的阴极。2*（）的电导率随掺杂量（）的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的增加而下降，电导率峰值产生的温度也从200升高到升高到920。：。：的比例对材料的性能也有较大影响。的比例对材料的性能也有较大影响。x=0.4时的峰值电导率达到时的
28、峰值电导率达到350，而对，而对x0.2的材料，其电导率的峰值为的材料，其电导率的峰值为160在在SOFC 系统中。电解质的最主要功能是传导离子系统中。电解质的最主要功能是传导离子,而电解质中的电子传而电解质中的电子传导会产生两极短路消耗能量导会产生两极短路消耗能量,从而减少电池的电流输出功率从而减少电池的电流输出功率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能小。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会繁盛氧化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繁盛氧化还原反应还原反应,为了阻止氧化气体和还原气体的相
29、互渗透为了阻止氧化气体和还原气体的相互渗透,电解质必须是致电解质必须是致密的隔离层。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,并暴露于氧化性或还并暴露于氧化性或还原性气体中原性气体中,这就要求电解质在高温运行的环境中仍能保持较好的化这就要求电解质在高温运行的环境中仍能保持较好的化学稳定性。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,因为晶体相变如果伴随有较大的体积因为晶体相变如果伴随有较大的体积变化变化,将会使电解质产生裂纹或断裂。将会使电解质产生裂纹或断裂。n因此因此,电解质材料在制造运行环境中保持化学成分电解质材料在制
30、造运行环境中保持化学成分,组织结构组织结构,形状和形状和尺寸的稳定是很重要的。尺寸的稳定是很重要的。n目前常用的电解质材料有氧化锆基、氧化铈基、氧化铋基及钙钛矿型目前常用的电解质材料有氧化锆基、氧化铈基、氧化铋基及钙钛矿型等等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的薄膜，用在中，的最重要的用途是制备成致密的薄膜，用于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”组件有两种基本结构：组件有两种基本结构：电解质支撑型和电极支撑型。两种不同结构电解质支撑型和电极支撑型。两种不同结构“三合一三合一”组件的
31、电解质组件的电解质薄膜厚度不同。电解质支撑型的薄膜厚度不同。电解质支撑型的YSZ薄膜厚度一般在薄膜厚度一般在0.2以上，电以上，电极支撑型的极支撑型的YSZ薄膜厚度一般在薄膜厚度一般在5-20之间。薄膜的制备方之间。薄膜的制备方法分为两类：一类是基于法分为两类：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。纯氧化锆是绝缘体化锆是绝缘体,当当Y2O3 和和ZrO2混合后混合后,晶格中一部分晶格中一部分Zr4+被被Y3+取代取代,当当2个个Zr
32、4+被被2 个个Y3+取代取代,相应地相应地,3 个个O2-取取代代4 个个O2-,空出一个空出一个O2-位置位置,因而因而,晶格晶格中产生一些氧离子空位。中产生一些氧离子空位。O2-通过氧空通过氧空位在电解质中输运位在电解质中输运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温度气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气氛和晶界等。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）的电导率最的电导率最高。其它浓度时，每一个氧空位均被束缚在缺陷复合体中，迁移比较困难。高。其它浓度时，每一个氧空位均被束缚在缺陷复合体中，迁移
33、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符合阿伦的电导率随温度的变化符合阿伦尼乌斯方程。尼乌斯方程。（）（）气象分压的影响气象分压的影响在很宽的氧分压范围内离子导电率与气相氧分在很宽的氧分压范围内离子导电率与气相氧分压无关，且离子传递系数接近于压无关，且离子传递系数接近于（）（）晶界的影响晶界的影响对小晶粒陶瓷，其晶界电导率不受晶粒尺寸大小地对小晶粒陶瓷，其晶界电导率不受晶粒尺寸大小地影响，对于大晶粒陶瓷，晶界电导率随晶粒尺寸的增加而下降。影响，对于大晶粒陶瓷，晶界电导率随晶粒尺寸的增加而下降。的化学稳定性和热膨胀系数的化学稳定性和热膨胀系数在在SOFC的操作
34、温度范围内，的操作温度范围内，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。在高温下，在高温下，YSZ与与LSM发生反应，在界面处生成不导电相。必须将发生反应，在界面处生成不导电相。必须将这种反应降至最低，以免造成电池性能的下降。这种反应降至最低，以免造成电池性能的下降。未掺杂的未掺杂的ZrO在在20-1180温度范围内的热膨胀系数为温度范围内的热膨胀系数为8.1210-6cm/(cm*K)掺杂的掺杂的ZrO通常具有较高的热膨胀系数通常具有较高的热膨胀系数的机械性能的机械性能 YSZ在室温下的弯曲强度为在室温下的弯曲强度为300-400MPa，断裂韧性为，断裂韧性为在在SO
35、FC的研究与开发过程中，迫切需要提高电解质材料的强度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和韧性，采用最多的方法是在YSZ中掺入一种或几种其它氧化物。中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问题需要解但仍然有许多关键性的问题需要解决。首先是降低决。首先是降低SOFCSOFC的工作温度的工作温度,这就要求制备薄且致密的电解质以这就要求制备薄且致密的电解质以降低电池的内阻降低电池的内阻,并开发中低温下电导率高的新型材料。并开发中低温下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,或开发新或开发新的材料体系。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,解决积碳问题也是非常重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素的掺杂已取得了一定要的方面。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的成果,但仍需进一步的研究。但仍需进一步的研究。
