能;（7) 较高的强度和韧性, 易加工性和低成本。 2.1 金属
阳极曾用过具有电子导电性的材料, 如Pt, Ag 等贵金属, 石墨, 过渡金属铁、钴、镍等都曾作为阳极加以研究。贵金属不仅成本太高, 而且在较高的温度下还存在Ag 的挥发问题, Pt 电极在SOFC 运行中, 反应产生的水蒸气会使阳极和电解质发生分离; 过渡金属也有一定的局限性。如铁也可以作为阳极材料, 但是铁在高温下容易被氧化而失去活性。后来人们用廉价的Ni 代替了Pt、Ag 等贵金属。但Ni 颗粒的表面活性高, 容易烧结团聚, 不仅会降低阳极的催化活性, 而且由于电极烧结、孔隙率降低, 会影响燃料气体向三相界面扩散, 增加电池的阻抗。Co 也是一种很好的阳极材料, 其电催化性能比Ni 好, 但是Co 的价格比较贵, 限制了它在实际中的应用。因此, 纯金属阳极都不能为SOFC 技术所采用。
2.2 Ni- ZrO2(Y2O3)金属陶瓷
金属陶瓷复合材料是通过将具有催化活性的金属分散在电解质材料中得到的, 这样既保持了金属阳极的高电子电导率和催化活性, 同时又增加了材料的离子电导率和改善了阳极与电解质热膨胀系数不匹配的问题。复合材料中的陶瓷相主要是其结构方面的作用, 即保持金属颗粒的分散性和长期运行时阳极的多孔结构。
金属Ni 因其便宜的价格及较高的稳定性, 常与电解质氧化钇稳定的氧化锆( yttria stabilzed ziroonia, YSZ) 混合制成多孔金
属陶瓷Ni/YSZ, Ni/YSZ 是目前应用最广泛的SOFC 阳极材料。Ni/YSZ 金属陶瓷中, 首先需要制备NiO/YSZ 复合材料,然后在SOFC 工作环境中还原, 得到Ni-YSZ 金属陶瓷。
研究表明, Ni/YSZ 金属陶瓷阳极的电导率与其中的Ni的含量密切相关。Ni/YSZ 的电导率随Ni 的含量呈S形, 说明了Ni/YSZ 组中导电机理随Ni 含量不同而Ni/YSZ 金属陶瓷阳极的热膨胀系数随组成不同而发生变化。随着Ni 含量的增加, Ni/YSZ 阳极的热膨胀系数增大。但是当Ni 的含量超过30%时, Ni/YSZ 金属陶瓷的热膨胀系数将比YSZ 电解质的高。综合考虑阳极材料的各方面性能, Ni 的含量一般取30%左右。除了组成外, Ni/YSZ 的粒径比会直接影响到阳极的极化和电导率。对于Ni 含量和孔隙率都固定的阳极来说, 粒径比越大, 电导率就越高。粗的YSZ 颗粒在烧结和还原NiO时, 更容易收缩, 此时产生的应力会造成微裂纹和电池性能的快速衰减。另外, 从电催化活性角度考虑, 使用粗的YSZ 颗粒会减小燃料发生氧化反应的三相界面, 增加极化电阻。现在, 一种新的微观结构被提出, 即原始粉料由粗YSZ、细YSZ和NiO 颗粒构成。这种新型阳极与传统阳极相比, 它的优越性主要体现在电池的长期性能上。整个阳极有多层具有不同粒径和镍含量的阳极层构成, 由内向外, 粒径和Ni 含量逐渐增大, 从而阳极的孔隙率、电导率和热膨胀系数也呈梯度分布。Koide 等人的研究表明, 采用具有不同镍含量的双层阳极能够有效地降低电池的欧姆和极化电阻。实验结果表明, 在600～800 ℃之间, 其电导率高达103.3 S/cm。所以, 可以被用作中低温固体氧化物燃料电池的阳极
材料。 是不同粒径YSZ 的阳极电导率。传统的阳极在运行20 h 后, 其极化过电位(与极化电成正比)迅速增加, 而新型阳极却能在2 500 h的运行时间内保持一个较低的极化损失。 2.3 Cu基金属陶瓷
还可以得到更加稳定的电池性能。所以这类Cu 基阳极对碳氢化合物的直接电化学氧化有很好的发展潜力。人们考虑用一种惰性金属来代替Ni 形成金属陶瓷阳极。Gorte等用金属Cu 代替或取代部分Ni , Cu/YSZ 阳极在SOFC 的工作温度和环境下保持稳定, 没有碳沉积, 但是, 并没有获得很好的电池性能, 这可能是因为Cu 没有足够的催化活性, 减弱了对甲烷催化生成碳的反应, 显著减少了阳极积碳。研究发现Cu、Ni、CeO2/YSZ 复合阳极对多种碳氢化合物(例如甲烷、乙烷、丁烷、丁烯、甲苯等)的直接电化学催化有良好的催化活性, 而且没有积碳现象。有人合成Cu-CeO2-YSZ 阳极材料, 发现与Ni-YSZ 相比其对燃料的适应性更强。 2.4 钙钛矿结构的氧化物
在寻找耐硫及没有积碳阳极材料的过程中, 钙钛矿结构的氧化物因其能在很宽的氧分压和温度范围内保持结构和性质稳定而受到电化学工作者的极大关注。钙钛矿型化合物的分子式是ABO3, 简单立方点阵, 空间群为Pm3m。由于钙钛矿结构具有高度的几何和化学匹配性, 使得钙钛矿型导电陶瓷在导电材料领域引起了高度的重视和研究。严格化学配比的钙钛矿氧化物的电导率很低, 不过由于其在A 位和B位有很强的掺杂能力, 可以对其进行掺杂改性。掺杂的钙钛矿结构的氧
化物均可以表现出混合导体的性能, 同时对燃料的氧化具有一定的催化作用。在这类材料中, LaCrO3 基和SrTiO3 基材料表现了相对优越的特性, 但他们目前存在的主要问题是电导率比较低, 催化活性还不够理想。人们正在试图通过不同种类物质在不同位置的掺杂来改变它们的各项性能。
结束语
固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研发的热点。 还应突破关键的技术主要有： （1） 高性能电极材料及其制备技术；
（2） 新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术； （3） 电池结构优化设计及其制备技术； （4） 电池的结构、性能与表征的研究。
参考文献：
[1] 【课件】当前新材料研究热点领域 2011-10-27
[2] 固体氧化物燃料电池（SOFC)研究现状 伍永福，赵玉萍，彭军
[3] 固体氧化物燃料电池电解质材料研究进展 李勇，邵刚勤，段兴龙，王天国