固体氧化物燃料电池材料
【内容摘要】：燃料电池在运行过程中具有良好的安全可靠性、环
境友好性、可操作性和灵活性，这些优点赋予了燃料电池极强的生命力和长远的发展潜力。本文就固体氧化燃料电池的研究现状阐述烟花燃料电池的结构、原理、特点及电池材料的研究进展。 【关键词】：固体氧化物燃料电池 材料制备 电池材料
引言
固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交换膜燃料电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放50%，不产生NOx，已成为发达国家重点研究开放的新能源技术。但目前研究的固体氧化物燃料电池的工作温度达800-900℃，其关键部件的材料的制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。
一、固体氧化物燃料电池的结构
固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极和连接体或双极板组成。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。 单体电池只能产生1V左右电压，功率有限，为了使得SOFC具有实际应用可能，需要大大提高SOFC的功率。为此，可以将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池组。目前SOFC组的结构主要为：管状(tubular)、平板型(planar)和整体型(unique)三种，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成为
SOFC的发展趋势。
二、固体氧化物燃料电池的原理及特点
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一个将化石燃料中的化学能转换为
电能的发电装置。这里所谓的化石燃料可以是天然气、煤气、汽油或
柴油以及其它碳氢化合物，能量转换是通过电极上的电化学反应来进行的。
从左图中可以看出，利用SOFC进行能量转换没有
燃烧和机械过程，从而极大地提高了能量转化效率，避免了NOx，SOx，CO，CO2以及粉尘等污染物的产生；而且安静、可靠，对电力的质量有良好的保证。 SOFC的工作温度通常在600℃至1000℃的范围内，其副产品是高质量的热和水蒸气。因此，在提供电力的同时，SOFC还可以提供热水和取暖。在同时利用电和热的情况下，能量的转化效率可以高达85%。与在低温工作的质子交换膜燃料电池（PEMFC）相比，除效率高以外，SOFC还避免了使用贵金属电极材料（如Pt），消除了CO对电极的毒化，降低了对于燃料质量的要求，从而增加了应用燃料的灵活性。与在相对高温工作的熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）相比，SOFC具有非常高的功率密度，而且没有液态的熔盐腐蚀介质，排除了燃料电池材料的热腐蚀。 根据用电的需求，SOFC可以灵活地增加或减小电站的供电能力。SOFC是一个独立的发电系统，可以方便地应用于需要电力的地方，而不需配备昂贵的电力传输系统，
这就是常说的分散发电。这一特点对于电网所不能及的偏远地区、移动设施或输电系统已经固定而无法改变的大城市显得尤为重要。
三、固体氧化物燃料电池材料
1 电解质材料
电解质材料的选取对SOFC的制备有着至关重要的作用。在氧化 还原环境中以及从室温到工作温度范围内，电解质必须要有足够高的离子电导率和低得可以忽略的电子电导率，并且是化学稳定和物理稳定的，要与电极材料有良好的化学相容性和热膨胀性，要有较高的机械强度和韧性。
目前研制的固体氧化物燃料电池被广泛有用的仍是氧离子导电电解质，主要包括氧化锆系、氧化铈系、钙钛矿系和一些其他
系列电解质以及不同类之间的复合电解质。
1.1 CeO2基固体电解质
纯的CeO2从室温至熔点具有与YSZ相同的萤石结构，不需进行稳定化。掺杂的CeO2具有比YSZ高的离子电导率、低的活化能，极有希望成为SOFC的电解质材料。但CeO2基材料的离子导电性范围较窄，在还原气氛下Ce4+部分将被还原为Ce3+，而产生电子电导率，从而降低电池能量转换效率。因此必须把CeO2基材料的离子电导范围扩大，在还原气氛下尽量降低电子电导，这样他才能作为SOFC电解质材料，这方面的工作主要集中在加入掺杂剂的研究上。
1.2 Bi2O3基电解质
各种固体电解质材料中，Bi2O3基电解质材料具有最高的离子导电性，其电导率比YSZ高一个数量级，且与ZrO2电解质相比，与电极之间的界面电阻更小。但是Bi2O3基电解质材料存在以下两方面的缺点：一是Bi2O3基电解质材料在低氧分压下极易被还原，在燃料两侧还原出的细小金属铋微粒使表面变黑，减小了离子电导率。另外掺杂的Bi2O3基电解质材料 1.3 ZrO基固体电解质
氧化锆基电解质是研究的最多也应用的最广的电解质材料，特别是Y2O3完全稳定化ZrO2(YSZ)，是固体氧化物燃料电池最常用的电解质。其中，Y2O3的含量一般为8～10% ，Y2O3主要起稳定结构和提高氧离子空位的作用。纯的ZrO2不能用作电解质，主要由于其离子导电性太差。 2 阳极材料
SOFC 通过阳极提供燃料气体, 阳极又称为燃料极。从阳极的功能和结构考虑, 必须满足一系列要求:（1) 好的化学稳定性和性能稳定性;（2) 有足够的电子电导率, 减小欧姆极化, 能把产生的电子及时传导到连接板, 同时具有一定的离子电导率, 以实现电极的立体化;（3) 与其相接触的材料的化学兼容性和热膨胀匹配性;（4) 适当的气孔率, 使燃料气体能够渗透到电极———电解质界面处参与反应, 并将产生的水蒸气和其他的副产物带走, 同时又不严重影响阳极的结构强度;（5) 良好的催化活性和足够的表面积, 以促进燃料电化学反应的进行;（6) 有良好的催化性