固體氧化物燃料電池1

1、固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池（ Solid oxide fuel cell- SOFC ）燃料電池分類燃料電池分類n堿性燃料電池堿性燃料電池(Alkaline fuel cell -AFC) -氫氧化鉀氫氧化鉀/鈉鈉為電解質(zhì)為電解質(zhì)n磷酸燃料電池磷酸燃料電池(Phosphoric acid fuel cell-PAFC) -濃磷酸濃磷酸為電解質(zhì)為電解質(zhì)n質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池 (Proton exchange membrane fuel cell-PEMFC) -全氟或者部分氟化的磺酸型質(zhì)子交換膜全氟或者部分氟化的磺酸型質(zhì)子交換膜n固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池 (

2、Solid oxide fuel cell- SOFC) -氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯膜為氧離子導(dǎo)體氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯膜為氧離子導(dǎo)體n熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池 (Molten carbonate fuel cell MCFC) -熔融的鋰鉀或鋰鈉碳酸鹽為電解質(zhì)熔融的鋰鉀或鋰鈉碳酸鹽為電解質(zhì)1231899 年，年，Nernst發(fā)明了固體氧化物電解質(zhì)而宣告開始發(fā)明了固體氧化物電解質(zhì)而宣告開始1937年，年，Baur 和和Preis制造了第一個在制造了第一個在1000下運行的下運行的 陶瓷燃料電池陶瓷燃料電池1962 年美國的年美國的Weissbart 和和Ruka首次用甲烷作燃料首次用甲烷作燃

3、料, 為為 SOFC 的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)1986年年, 400W管式管式SOFC 電池組在田納西洲運行成功電池組在田納西洲運行成功1989 年又在日本東京、大阪煤氣公司各安裝了年又在日本東京、大阪煤氣公司各安裝了3KW級級 列管式列管式SOFC發(fā)電機組發(fā)電機組, 成功連續(xù)運行長達成功連續(xù)運行長達5000h, 這標志這標志著著SOFC 研究從實驗室規(guī)模向商業(yè)化發(fā)展又邁近了一步研究從實驗室規(guī)模向商業(yè)化發(fā)展又邁近了一步SOFC的發(fā)展：的發(fā)展：1. SOFC工作原理工作原理氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯膜作氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯膜作為電解質(zhì)，在高溫下為電解質(zhì)，在高溫下(900-1000)傳遞傳遞O2-，

4、在電池中，在電池中起著起著傳導(dǎo)傳導(dǎo)O2-、分隔氧化劑、分隔氧化劑和燃料的和燃料的作用。作用。在陰極，氧分子得到電子在陰極，氧分子得到電子還原為氧離子；氧離子在還原為氧離子；氧離子在電電解質(zhì)隔膜兩側(cè)電勢差與氧濃解質(zhì)隔膜兩側(cè)電勢差與氧濃度差驅(qū)動力度差驅(qū)動力的作用下，通過的作用下，通過電解質(zhì)隔膜中的氧空位，定電解質(zhì)隔膜中的氧空位，定向躍遷到陽極側(cè)，并與燃料向躍遷到陽極側(cè)，并與燃料進行氧化反應(yīng)。進行氧化反應(yīng)。外電路外電路優(yōu)點：優(yōu)點：n能量轉(zhuǎn)換效率高能量轉(zhuǎn)換效率高n固態(tài)電解質(zhì)對硫污染的具有較高的耐受性更穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)對硫污染的具有較高的耐受性更穩(wěn)定n無污染，可實現(xiàn)零排放無污染，可實現(xiàn)零排放n全固態(tài)，無液

5、態(tài)電極腐蝕和電解質(zhì)液滲漏等問題全固態(tài)，無液態(tài)電極腐蝕和電解質(zhì)液滲漏等問題n高溫操作高溫操作, , 余熱利用率高余熱利用率高n不需要貴金屬催化劑不需要貴金屬催化劑SOFC分類分類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中中空氣空氣/YSZ固體固體電解質(zhì)電解質(zhì)/燃料電極燃料電極燒結(jié)成一體，燒結(jié)成一體，組成組成“三合一三合一”結(jié)構(gòu)，其間用結(jié)構(gòu)，其間用開設(shè)導(dǎo)氣溝槽的雙極板開設(shè)導(dǎo)氣溝槽的雙極板連接，連接，使其間相互串聯(lián)構(gòu)成電池組。使其間相互串聯(lián)構(gòu)成電池組。-氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯膜氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯膜-YSZ平板型平板型SOFC的優(yōu)點：的優(yōu)點： “三合一三合

6、一”組件制備組件制備工藝簡單工藝簡單，造價低造價低，電流收集均勻，電流收集均勻，流經(jīng)路徑短流經(jīng)路徑短，使平板型電池的輸出功率密度較管式，使平板型電池的輸出功率密度較管式高高。平板型平板型SOFC的缺點：的缺點： 密封困難、抗熱循環(huán)性能差、難以組裝成大功率電池密封困難、抗熱循環(huán)性能差、難以組裝成大功率電池組。組。管型管型SOFC管式管式SOFC電池組由電池組由一端封閉一端封閉的管狀單電池的管狀單電池以以串聯(lián)、并聯(lián)串聯(lián)、并聯(lián)方式組裝而成。每個單電池方式組裝而成。每個單電池由內(nèi)到外由由內(nèi)到外由多孔支撐管、空多孔支撐管、空氣電極、固體電解質(zhì)薄膜和氣電極、固體電解質(zhì)薄膜和金屬陶瓷陽極金屬陶瓷陽極組組成。

7、成。管型管型SOFC的優(yōu)點：的優(yōu)點： 單電池間的連接體設(shè)在還原氣氛一側(cè)，這樣可使用廉價的金屬材料作電流收單電池間的連接體設(shè)在還原氣氛一側(cè)，這樣可使用廉價的金屬材料作電流收集體。集體。單電池采用串聯(lián)、并聯(lián)方式組合到一起，可以避免當(dāng)某一單電池損壞時電池單電池采用串聯(lián)、并聯(lián)方式組合到一起，可以避免當(dāng)某一單電池損壞時電池組完全失效。用鎳氈將單電池的連接體聯(lián)結(jié)起來，可以減小單電池間的應(yīng)力。組完全失效。用鎳氈將單電池的連接體聯(lián)結(jié)起來，可以減小單電池間的應(yīng)力。電池組相對簡單，容易通過電池單元之間并聯(lián)和串聯(lián)組成大功率的電池組。電池組相對簡單，容易通過電池單元之間并聯(lián)和串聯(lián)組成大功率的電池組。一般在很高的溫度下

8、操作，主要用于固定電站，高溫一般在很高的溫度下操作，主要用于固定電站，高溫SOFC一般采用管型結(jié)構(gòu)。一般采用管型結(jié)構(gòu)。管式管式SOFC的缺點：的缺點： 電流通過的路徑較長，限制了電流通過的路徑較長，限制了SOFC的性能。的性能。2. SOFC的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)陽極陽極陰極陰極電解質(zhì)電解質(zhì) 2.1 2.1 陽極陽極陽極的主要作用是為燃料的電化學(xué)氧化提供反應(yīng)場所陽極的主要作用是為燃料的電化學(xué)氧化提供反應(yīng)場所u必須在還原氣氛中穩(wěn)定必須在還原氣氛中穩(wěn)定u具有足夠高的具有足夠高的電子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率和對燃料氧化反應(yīng)對燃料氧化反應(yīng)的的催化活性催化活性u必須具有必須具有足夠高的孔隙率足夠高的孔隙率，以確保燃料的

9、供應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物，以確保燃料的供應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物的排除的排除u陽極材料還必須與其它電池材料在室溫至操作溫度乃至更陽極材料還必須與其它電池材料在室溫至操作溫度乃至更高的制備溫度范圍內(nèi)化學(xué)上相容、熱膨脹系數(shù)相匹配高的制備溫度范圍內(nèi)化學(xué)上相容、熱膨脹系數(shù)相匹配SOFCSOFC陽極材料的基本要求：陽極材料的基本要求：（1 1）穩(wěn)定性穩(wěn)定性 在燃料氣氛中，陽極材料必須在化學(xué)性質(zhì)、在燃料氣氛中，陽極材料必須在化學(xué)性質(zhì)、形貌和尺度上保持穩(wěn)定。形貌和尺度上保持穩(wěn)定。（2 2）電導(dǎo)率電導(dǎo)率 陽極材料在還原氣氛中要具有足夠高的電子陽極材料在還原氣氛中要具有足夠高的電子導(dǎo)電率，以降低陽極的導(dǎo)電率，以降低陽極的歐姆極化歐姆

10、極化，同時還具備高的氧離子，同時還具備高的氧離子導(dǎo)電率，以實現(xiàn)電極立體化。導(dǎo)電率，以實現(xiàn)電極立體化。（3 3）相容性相容性 陽極材料與相接觸的其它電池材料必須在室陽極材料與相接觸的其它電池材料必須在室溫至制備溫度范圍內(nèi)化學(xué)上相容。溫至制備溫度范圍內(nèi)化學(xué)上相容。（4 4）熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 陽極材料必須與其他電池材料熱膨脹系陽極材料必須與其他電池材料熱膨脹系數(shù)相匹配。數(shù)相匹配。（5 5）孔隙率孔隙率 陽極必須具有足夠高的孔隙率，以確保陽極必須具有足夠高的孔隙率，以確保燃燃料的供應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物料的供應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物的排出。的排出。（6 6）催化活性催化活性 陽極材料必須對燃料的電化學(xué)氧化反應(yīng)陽極材料必

11、須對燃料的電化學(xué)氧化反應(yīng)具有足夠高的催化活性。具有足夠高的催化活性。（7 7）陽極還必須具有）陽極還必須具有強度高、韌性好、加工容易、成本低強度高、韌性好、加工容易、成本低的特點。的特點。陽極材料及性能陽極材料及性能陽極催化劑有：陽極催化劑有：鎳、鎳、鈷和貴金屬材料鈷和貴金屬材料，其，其中金屬鎳具有高活性、中金屬鎳具有高活性、價格低的特點，應(yīng)用價格低的特點，應(yīng)用最廣泛。在最廣泛。在SOFCSOFC中，中，陽極通常由陽極通常由金屬鎳及金屬鎳及氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZYSZ）骨架骨架組成。組成。（一）（一）Ni-YSZNi-YSZ金屬陶瓷陽極金屬陶瓷陽極（1）Ni-YSZ 金屬

12、陶瓷陽極的制備金屬陶瓷陽極的制備管式管式SOFC通常采用化學(xué)氣相沉積通常采用化學(xué)氣相沉積-漿料涂覆法制備漿料涂覆法制備Ni-YSZ陽極；陽極；電解質(zhì)自支撐平行板電解質(zhì)自支撐平行板SOFC的陽極的陽極制備可采用絲網(wǎng)印刷、濺射、噴涂制備可采用絲網(wǎng)印刷、濺射、噴涂等多種方法等多種方法電極負載型平板型電極負載型平板型SOFC的陽極制的陽極制備一般采用備一般采用軋膜、流延軋膜、流延等方法。等方法。（2）Ni-YSZ 金屬陶瓷的物理性質(zhì)金屬陶瓷的物理性質(zhì)|在在Ni中加入中加入YSZ的目的是使發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的的目的是使發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的三相界向空間擴展，即實現(xiàn)電極的立體化，并在三相界向空間擴展，即實現(xiàn)電極的立

13、體化，并在SOFC的操作溫度下保持的操作溫度下保持陽極的多孔結(jié)構(gòu)及調(diào)整電陽極的多孔結(jié)構(gòu)及調(diào)整電極的熱膨脹系數(shù)極的熱膨脹系數(shù)使其與其它電池組件相匹配。使其與其它電池組件相匹配。|YSZ作為金屬作為金屬Ni的載體，可有效地防止在的載體，可有效地防止在SOFC操作過程中金屬粒子粗化。操作過程中金屬粒子粗化。（3）金屬陶瓷的穩(wěn)定性）金屬陶瓷的穩(wěn)定性 uNi和和YSZ在還原氣氛中均具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，在還原氣氛中均具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，在在1000以下幾乎不與電解質(zhì)以下幾乎不與電解質(zhì)YSZ及連接材料及連接材料LaCrO3發(fā)生反應(yīng)。發(fā)生反應(yīng)。u在室溫至在室溫至SOFC操作溫度范圍內(nèi)無相變產(chǎn)生操作溫度范圍

14、內(nèi)無相變產(chǎn)生。 （4） Ni-YSZ金屬陶瓷的導(dǎo)電性金屬陶瓷的導(dǎo)電性vNi-YSZ金屬陶瓷陽極的導(dǎo)電率和其中的金屬陶瓷陽極的導(dǎo)電率和其中的Ni含量密切相關(guān)。含量密切相關(guān)。v當(dāng)當(dāng)Ni的比例低于的比例低于30時時Ni-YSZ金屬陶瓷的導(dǎo)電性能與金屬陶瓷的導(dǎo)電性能與YSZ相似，相似，說明此時通過說明此時通過YSZ相的離子導(dǎo)電占主導(dǎo)地位相的離子導(dǎo)電占主導(dǎo)地位v當(dāng)當(dāng)Ni的含量高于的含量高于30時，由于時，由于Ni粒子互相連接構(gòu)成電子導(dǎo)電通道，粒子互相連接構(gòu)成電子導(dǎo)電通道，使使Ni-YSZ復(fù)合物的電導(dǎo)率增大三個數(shù)量級以上，說明此時復(fù)合物的電導(dǎo)率增大三個數(shù)量級以上，說明此時Ni金屬的金屬的電子電導(dǎo)在整個復(fù)合

15、物電導(dǎo)中占主導(dǎo)地位電子電導(dǎo)在整個復(fù)合物電導(dǎo)中占主導(dǎo)地位（）（） Ni-YSZ復(fù)合金屬陶瓷陽極的熱膨脹復(fù)合金屬陶瓷陽極的熱膨脹lNi-YSZ陽極的熱膨脹系數(shù)隨組成不同而發(fā)生改變。陽極的熱膨脹系數(shù)隨組成不同而發(fā)生改變。l隨著隨著Ni含量的增加，含量的增加， Ni-YSZ的熱膨脹系數(shù)增大。的熱膨脹系數(shù)增大。l嚴重的熱膨脹系數(shù)不匹配會在電池內(nèi)部引起較大的應(yīng)嚴重的熱膨脹系數(shù)不匹配會在電池內(nèi)部引起較大的應(yīng)力，造成電池組件的碎裂和分層剝離?？赏ㄟ^在電解質(zhì)力，造成電池組件的碎裂和分層剝離?？赏ㄟ^在電解質(zhì)中摻入添加劑的方法降低應(yīng)力。中摻入添加劑的方法降低應(yīng)力。（二）（二）Ni-SDC金屬陶瓷陽極金屬陶瓷陽極和和

16、YSZ相比，由于相比，由于SDC(Ni-Sm2O3 摻雜的摻雜的CeO2)具有較高的離子電導(dǎo)率，具有較高的離子電導(dǎo)率，且在還原氣氛中會產(chǎn)生一定的電子電導(dǎo)，因此，將且在還原氣氛中會產(chǎn)生一定的電子電導(dǎo)，因此，將SDC等摻入到陰極催化等摻入到陰極催化劑劑Ni中，可以使電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的三相界得以向中，可以使電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的三相界得以向電極內(nèi)部擴展，從電極內(nèi)部擴展，從而提高電極的反應(yīng)活性而提高電極的反應(yīng)活性。NiO-SDC復(fù)合材料的制備可以采用機械復(fù)合法，即將和復(fù)合材料的制備可以采用機械復(fù)合法，即將和粉料混合后進行球磨，用量少時，用瑪瑙研缽進行研磨。粉料混合后進行球磨，用量少時，用瑪瑙研缽進

17、行研磨。2.2 2.2 陰極陰極陰極的作用是為氧化劑的還原提供場所陰極的作用是為氧化劑的還原提供場所陰極材料必須在氧化氣氛下保持穩(wěn)定陰極材料必須在氧化氣氛下保持穩(wěn)定在在SOFC操作條件下具有足夠高的電子導(dǎo)電率操作條件下具有足夠高的電子導(dǎo)電率對氧化還原反應(yīng)的催化活性對氧化還原反應(yīng)的催化活性SOFC中陰極材料的基本要求：中陰極材料的基本要求：（）（）穩(wěn)定性穩(wěn)定性在氧化氣氛中，陰極材料必須具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性，在氧化氣氛中，陰極材料必須具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性，且其形貌、且其形貌、 微觀結(jié)構(gòu)、尺寸等在電池長期運行過程中不能發(fā)生明顯微觀結(jié)構(gòu)、尺寸等在電池長期運行過程中不能發(fā)生明顯變化。變化。（）（）電導(dǎo)率

18、電導(dǎo)率陰極材料必須具有足夠高的電子電導(dǎo)率，以降低在陰極材料必須具有足夠高的電子電導(dǎo)率，以降低在操作過程中陰極的歐姆極化；此外，陰極還必須具有一定的離操作過程中陰極的歐姆極化；此外，陰極還必須具有一定的離子導(dǎo)電能力，以利于氧化還原產(chǎn)物向電解質(zhì)的傳遞。子導(dǎo)電能力，以利于氧化還原產(chǎn)物向電解質(zhì)的傳遞。 （）（）催化活性催化活性陰極材料必須在陰極材料必須在SOFCSOFC操作溫度下，對氧化還原反應(yīng)操作溫度下，對氧化還原反應(yīng)具有足夠高的催化活性，以降低陰極上電化學(xué)活化極化過電位，提高具有足夠高的催化活性，以降低陰極上電化學(xué)活化極化過電位，提高電池的輸出性能。電池的輸出性能。（）（）相容性相容性陰極材料必須

19、在陰極材料必須在SOFC制備和操作溫度下與制備和操作溫度下與電解質(zhì)材料、連接材料或雙極板材料與密封材料電解質(zhì)材料、連接材料或雙極板材料與密封材料化學(xué)上相化學(xué)上相容。容。（）（）熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)陰極必須在室溫至陰極必須在室溫至SOFC操作溫度，乃操作溫度，乃至更高的制備溫度范圍內(nèi)與至更高的制備溫度范圍內(nèi)與其他電池材料熱膨脹系數(shù)相匹其他電池材料熱膨脹系數(shù)相匹配配。（）（）多孔性多孔性 SOFC的陰極必須具有足夠的的陰極必須具有足夠的孔隙率孔隙率，以確，以確保活性位上氧氣的供應(yīng)。?；钚晕簧涎鯕獾墓?yīng)。陰極材料及性能陰極材料及性能（一）（一）Sr摻雜的摻雜的LaMnO3（LSM）LSM具有在氧化氣

20、氛中具有在氧化氣氛中電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)率高率高與與YSZ化學(xué)相容性好化學(xué)相容性好等特等特點，通過修飾可以調(diào)整其熱膨脹點，通過修飾可以調(diào)整其熱膨脹系數(shù)，使之與其他電池材料相匹系數(shù)，使之與其他電池材料相匹配。配。（）（）LSM粉體的合成粉體的合成固相反應(yīng)法的過程：首先將固相反應(yīng)法的過程：首先將各種氧化物按化學(xué)計量比各種氧化物按化學(xué)計量比混合均勻，然后在高溫下焙燒足夠的時間，研磨后制的混合均勻，然后在高溫下焙燒足夠的時間，研磨后制的LSM粉末。粉末。液相反應(yīng)法的過程：首先按化學(xué)計量比配制液相反應(yīng)法的過程：首先按化學(xué)計量比配制La(NO3)36H2O Sr(NO3)2和和Mn(NO3)2的混合溶液，然后

21、的混合溶液，然后往混合溶液中加入檸檬酸和聚乙烯醇；將溶液中的水分蒸往混合溶液中加入檸檬酸和聚乙烯醇；將溶液中的水分蒸發(fā)至形成透明的無定形樹脂；繼續(xù)加熱使樹脂分解即可制發(fā)至形成透明的無定形樹脂；繼續(xù)加熱使樹脂分解即可制成復(fù)合氧化物成復(fù)合氧化物L(fēng)SM的前軀體；將前軀體在一定的溫度下焙的前軀體；將前軀體在一定的溫度下焙燒，即可制的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的燒，即可制的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LSM超細粉。超細粉。（）（） LSM的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)Mn和離子構(gòu)成和離子構(gòu)成MnO6八面體結(jié)構(gòu)，而八個八面體結(jié)構(gòu)，而八個MnO6通通過共用離子分布于立方體的八個頂點上。過共用離子分布于立方體的八個頂點上。La離子離子位于立方體的中心

22、。位于立方體的中心。（）（） LSM的導(dǎo)電性能的導(dǎo)電性能為本征半導(dǎo)體，電導(dǎo)率很低。如在室溫下為本征半導(dǎo)體，電導(dǎo)率很低。如在室溫下的電導(dǎo)率為的電導(dǎo)率為，時為時為 。但是，在但是，在位和位摻雜地低價態(tài)的金屬離子，會使材位和位摻雜地低價態(tài)的金屬離子，會使材料的電導(dǎo)率大幅度提高。在料的電導(dǎo)率大幅度提高。在中摻雜，中摻雜，會代會代替替增加增加的含量，從而大幅度提高材料的電子導(dǎo)電率。的含量，從而大幅度提高材料的電子導(dǎo)電率。（）（） LSM和和YSZ等其他電池材料的化學(xué)相容性等其他電池材料的化學(xué)相容性 與其他電池材料的熱膨脹系數(shù)的匹配性，摻雜可以增加與其他電池材料的熱膨脹系數(shù)的匹配性，摻雜可以增加的熱膨脹系

23、數(shù)，且隨著摻雜量的增加熱膨脹系數(shù)增的熱膨脹系數(shù)，且隨著摻雜量的增加熱膨脹系數(shù)增大。大。（1）摻雜的摻雜的（）（）1*LSGM的合成的合成 LSGM電解質(zhì)材料的合成通常采用高溫固相反應(yīng)法。按化學(xué)計量比電解質(zhì)材料的合成通常采用高溫固相反應(yīng)法。按化學(xué)計量比將將和摻雜劑和摻雜劑 混合均勻，在混合均勻，在1000焙燒焙燒360min，將得到的粉料重新研磨，將粉料在，將得到的粉料重新研磨，將粉料在1500下焙燒下焙燒900min，即獲得，即獲得LSGM燒結(jié)體；將燒結(jié)體在研缽內(nèi)加入乙醇研磨燒結(jié)體；將燒結(jié)體在研缽內(nèi)加入乙醇研磨120min，即可獲得，即可獲得LSGM粉料。粉料。 LSGM的合成還可采用的合成還

24、可采用“氨基乙酸硝酸鹽氨基乙酸硝酸鹽”燃燒法，檸檬酸法。燃燒法，檸檬酸法。的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)LaGaO3具有扭曲的具有扭曲的鈣鈣鈦礦鈦礦結(jié)結(jié)構(gòu)，傾斜的構(gòu)，傾斜的GaO6八面體位于正六八面體位于正六面體的八個頂點上，面體的八個頂點上，La位于正六面體的中位于正六面體的中心，組成正交結(jié)構(gòu)的心，組成正交結(jié)構(gòu)的晶胞。晶胞。的電導(dǎo)性能的電導(dǎo)性能的電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大，隨著和對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大，隨著和對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的位和位的進行取代而產(chǎn)生的，和對電導(dǎo)活化能有不的位和位的進行取代而產(chǎn)生的，和對電導(dǎo)活化能有不同影響，增加的含量會降低電導(dǎo)活化能。與此相反，增加的摻雜量同影響，增加的含量會降低

25、電導(dǎo)活化能。與此相反，增加的摻雜量會使電導(dǎo)活化能增加。這種差異與兩種離子的離子半徑電荷比的不同有關(guān)。會使電導(dǎo)活化能增加。這種差異與兩種離子的離子半徑電荷比的不同有關(guān)。與其它電池材料的化學(xué)相容性與其它電池材料的化學(xué)相容性當(dāng)用作的電解質(zhì)材料時，對與各種電池材料的化當(dāng)用作的電解質(zhì)材料時，對與各種電池材料的化學(xué)相容性及材料本身在氧化還原氣氛中必須予以重視。是中最學(xué)相容性及材料本身在氧化還原氣氛中必須予以重視。是中最普遍采用的陽極材料，因此與或氧化的化學(xué)相容性顯得尤普遍采用的陽極材料，因此與或氧化的化學(xué)相容性顯得尤為重要。為重要。的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)隨著摻雜量的增大而增大，增大濃度與其中

26、的熱膨脹系數(shù)隨著摻雜量的增大而增大，增大濃度與其中的氧空位濃度呈正比。的氧空位濃度呈正比。因在因在421發(fā)生正交到斜方晶系的發(fā)生正交到斜方晶系的物相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生大的收縮。通過摻雜和，可將收縮降至物相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生大的收縮。通過摻雜和，可將收縮降至很低。很低。的機械性能的機械性能室溫下，的彎曲強度隨摻雜量的增加而降低，因為室溫下，的彎曲強度隨摻雜量的增加而降低，因為Mg2+的離子半徑為的離子半徑為0.086nm，而，而的離子半徑僅為的離子半徑僅為0.076nm，這，這種離子半徑差異會導(dǎo)致晶胞參數(shù)的增大，進而造成機械強度的下降。種離子半徑差異會導(dǎo)致晶胞參數(shù)的增大，進而造成機械強度的下降。其它陰極

27、材料其它陰極材料1*（LSC）既具有很高的離子導(dǎo)電性，又具有足夠高）既具有很高的離子導(dǎo)電性，又具有足夠高的電子導(dǎo)電性，很有希望作為中溫的電子導(dǎo)電性，很有希望作為中溫SOFC的陰極材料。的陰極材料。LSC在以在以SDC為電解為電解質(zhì)的質(zhì)的SOFC中作為陰極材料有很高活性。但是，由于其在高溫下會與中作為陰極材料有很高活性。但是，由于其在高溫下會與發(fā)生反應(yīng)而不能作為以為電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而不能作為以為電解質(zhì)SOFC的陰極。的陰極。2*（）的電導(dǎo)率隨摻雜量（）的電導(dǎo)率隨摻雜量的增加而下降，電導(dǎo)率峰值產(chǎn)生的溫度也從的增加而下降，電導(dǎo)率峰值產(chǎn)生的溫度也從200升高到升高到920。：。：的比例對材料的性能也有較

28、大影響。的比例對材料的性能也有較大影響。x=0.4時的峰值電導(dǎo)率達到時的峰值電導(dǎo)率達到350，而對，而對x0.2的材料，其電導(dǎo)率的峰值為的材料，其電導(dǎo)率的峰值為160在在SOFC 系統(tǒng)中。電解質(zhì)的最主要功能是傳導(dǎo)離子系統(tǒng)中。電解質(zhì)的最主要功能是傳導(dǎo)離子, 而電解質(zhì)中的電子傳而電解質(zhì)中的電子傳導(dǎo)會產(chǎn)生兩極短路消耗能量導(dǎo)會產(chǎn)生兩極短路消耗能量, 從而減少電池的電流輸出功率從而減少電池的電流輸出功率電解質(zhì)要具有較大的離子導(dǎo)電能力且電子導(dǎo)電能力要盡可能小。電解質(zhì)要具有較大的離子導(dǎo)電能力且電子導(dǎo)電能力要盡可能小。由于氧化還原氣體滲透到氣體電極和電解質(zhì)的三相界面處會繁盛氧化由于氧化還原氣體滲透到氣體電極和

29、電解質(zhì)的三相界面處會繁盛氧化還原反應(yīng)還原反應(yīng), 為了阻止氧化氣體和還原氣體的相互滲透為了阻止氧化氣體和還原氣體的相互滲透, 電解質(zhì)必須是致電解質(zhì)必須是致密的隔離層。密的隔離層。由于電解質(zhì)的兩側(cè)分別與陰、陽極材料相接觸由于電解質(zhì)的兩側(cè)分別與陰、陽極材料相接觸, 并暴露于氧化性或還并暴露于氧化性或還原性氣體中原性氣體中, 這就要求電解質(zhì)在高溫運行的環(huán)境中仍能保持較好的化這就要求電解質(zhì)在高溫運行的環(huán)境中仍能保持較好的化學(xué)穩(wěn)定性。學(xué)穩(wěn)定性。電解質(zhì)的晶體穩(wěn)定性也很重要電解質(zhì)的晶體穩(wěn)定性也很重要, 因為晶體相變?nèi)绻殡S有較大的體積因為晶體相變?nèi)绻殡S有較大的體積變化變化, 將會使電解質(zhì)產(chǎn)生裂紋或斷裂。將會

30、使電解質(zhì)產(chǎn)生裂紋或斷裂。n因此因此, 電解質(zhì)材料在制造運行環(huán)境中保持化學(xué)成分電解質(zhì)材料在制造運行環(huán)境中保持化學(xué)成分, 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu), 形狀和形狀和尺寸的穩(wěn)定是很重要的。尺寸的穩(wěn)定是很重要的。n目前常用的電解質(zhì)材料有氧化鋯基、氧化鈰基、氧化鉍基及鈣鈦礦型目前常用的電解質(zhì)材料有氧化鋯基、氧化鈰基、氧化鉍基及鈣鈦礦型等等3. 電解質(zhì)材料電解質(zhì)材料穩(wěn)定的穩(wěn)定的（YSZ）在中，的最重要的用途是制備成致密的薄膜，用在中，的最重要的用途是制備成致密的薄膜，用于于傳導(dǎo)氧離子和分隔燃料與氧化劑傳導(dǎo)氧離子和分隔燃料與氧化劑。陰極電解質(zhì)陽極陰極電解質(zhì)陽極“三合一三合一”組件有兩種基本結(jié)構(gòu)：組件有兩種基本結(jié)構(gòu)：電

31、解質(zhì)支撐型和電極支撐型。兩種不同結(jié)構(gòu)電解質(zhì)支撐型和電極支撐型。兩種不同結(jié)構(gòu)“三合一三合一”組件的電解質(zhì)組件的電解質(zhì)薄膜厚度不同。電解質(zhì)支撐型的薄膜厚度不同。電解質(zhì)支撐型的YSZ薄膜厚度一般在薄膜厚度一般在0.2以上，電以上，電極支撐型的極支撐型的YSZ薄膜厚度一般在薄膜厚度一般在5-20之間。薄膜的制備方之間。薄膜的制備方法分為兩類：一類是基于法分為兩類：一類是基于粉體的制備方法；另一類是沉積法粉體的制備方法；另一類是沉積法。的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)目前所用的電解質(zhì)目前所用的電解質(zhì)YSZ, 即在即在ZrO2中中8%- 10%(mol) 的氧化釔的氧化釔( Y2O3) 。純氧。純氧化鋯是絕緣體化鋯是絕緣體,

32、當(dāng)當(dāng)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, 當(dāng)當(dāng)2個個Zr4+被被2 個個Y3+取代取代, 相應(yīng)地相應(yīng)地, 3 個個O2- 取取代代4 個個O2- , 空出一個空出一個O2-位置位置, 因而因而, 晶格晶格中產(chǎn)生一些氧離子空位。中產(chǎn)生一些氧離子空位。O2-通過氧空通過氧空位在電解質(zhì)中輸運位在電解質(zhì)中輸運的導(dǎo)電性的導(dǎo)電性的離子導(dǎo)電行為受多種因素的影響，這些因素包括摻雜濃度的離子導(dǎo)電行為受多種因素的影響，這些因素包括摻雜濃度溫度溫度氣氣氛和晶界等。氛和晶界等。（）（）穩(wěn)定劑摻雜量的影響穩(wěn)定劑摻雜量的影響-（摩爾分數(shù)）（摩爾分數(shù)）的電導(dǎo)率最的電導(dǎo)率最高。其它濃度時，每一個氧空位均被束縛在缺陷復(fù)合體中，遷移比較困難。高。其它濃度時，每一個氧空位均被束縛在缺陷復(fù)合體中，遷移比較困難。（）（）溫度的影響溫度的影響全穩(wěn)定的全穩(wěn)定的的電導(dǎo)率隨溫度的變化符合阿倫的電導(dǎo)率隨溫度的變化符合阿倫尼烏斯方程。尼烏斯方程。（）（）氣象分壓的影響氣象分壓的影響在很寬的氧分壓范圍內(nèi)離子導(dǎo)電率與