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/鈉鈉為電解質為電解質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為電解質n質子交換膜燃料電池質子交換膜燃料電池 (Proton exchange membrane fuel cell-PEMFC) -全氟或者部分氟化的磺酸型質子交換膜全氟或者部分氟化的磺酸型質子交換膜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體氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯膜為氧離子導體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熔融的鋰鉀或鋰鈉碳酸鹽為電解質1231899 年，年，Nernst發(fā)明了固體氧化物電解質而宣告開始發(fā)明了固體氧化物電解質而宣告開始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)展奠定了基礎的發(fā)展奠定了基礎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，在高溫下為電解質，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傳導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；氧離子在電電解質隔膜兩側電勢差與氧濃解質隔膜兩側電勢差與氧濃度差驅動力度差驅動力的作用下，通過的作用下，通過電解質隔膜中的氧空位，定電解質隔膜中的氧空位，定向躍遷到陽極側，并與燃料向躍遷到陽極側，并與燃料進行氧化反應。進行氧化反應。外電路外電路優(yōu)點：優(yōu)點：n能量轉換效率高能量轉換效率高n固態(tài)電解質對硫污染的具有較高的耐受性更穩(wěn)定固態(tài)電解質對硫污染的具有較高的耐受性更穩(wěn)定n無污染，可實現零排放無污染，可實現零排放n全固態(tài)，無液

5、態(tài)電極腐蝕和電解質液滲漏等問題全固態(tài)，無液態(tài)電極腐蝕和電解質液滲漏等問題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固體固體電解質電解質/燃料電極燃料電極燒結成一體，燒結成一體，組成組成“三合一三合一”結構，其間用結構，其間用開設導氣溝槽的雙極板開設導氣溝槽的雙極板連接，連接，使其間相互串聯構成電池組。使其間相互串聯構成電池組。-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，流經路徑短流經路徑短，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、并聯串聯、并聯方式組裝而成。每個單電池方式組裝而成。每個單電池由內到外由由內到外由多孔支撐管、空多孔支撐管、空氣電極、固體電解質薄膜和氣電極、固體電解質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在還原氣氛一側，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在還原氣氛一側，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、并聯方式組合到一起，可以避免當某一單電池損壞時電池單電池采用串聯、并聯方式組合到一起，可以避免當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結起來，可以減小單電池間的應力。組完全失效。用鎳氈將單電池的連接體聯結起來，可以減小單電池間的應力。電池組相對簡單，容易通過電池單元之間并聯和串聯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和串聯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一般采用管型結構。一般采用管型結構。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的結構的結構陽極陽極陰極陰極電解質電解質 2.1 2.1 陽極陽極陽極的主要作用是為燃料的電化學氧化提供反應場所陽極的主要作用是為燃料的電化學氧化提供反應場所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率和電子電導率和對燃料氧化反應對燃料氧化反應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、供應及反應產物，以確保燃料的供應及反應產物的排除的排除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化學上相容、熱膨脹系數相匹配高的制備溫度范圍內化學上相容、熱膨脹系數相匹配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性質、在燃料氣氛中，陽極材料必須在化學性質、形貌和尺度上保持穩(wěn)定。形貌和尺度上保持穩(wěn)定。（2 2）電導率電導率 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電率，以降低陽極的導電率，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電率，以實現電極立體化。導電率，以實現電極立體化。（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化學上相容。溫至制備溫度范圍內化學上相容。（4 4）熱膨脹系數熱膨脹系數 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相匹配。數相匹配。（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及反應產物料的供應及反應產物的排出。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氧化反應陽極材料必

11、須對燃料的電化學氧化反應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，應用價格低的特點，應用最廣泛。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通常采用化學氣相沉積通常采用化學氣相沉積-漿料涂覆法制備漿料涂覆法制備Ni-YSZ陽極；陽極；電解質自支撐平行板電解質自支撐平行板SOFC的陽極的陽極制備可采用絲網印刷、濺射、噴涂制備可采用絲網印刷、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金屬陶瓷的物理性質|在在Ni中加入中加入YSZ的目的是使發(fā)生電化學反應的的目的是使發(fā)生電化學反應的三相界向空間擴展，即實現電極的立體化，并在三相界向空間擴展，即實現電極的立

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構及調整電陽極的多孔結構及調整電極的熱膨脹系數極的熱膨脹系數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穩(wěn)定性，在還原氣氛中均具有較高的化學穩(wěn)定性，在在1000以下幾乎不與電解質以下幾乎不與電解質YSZ及連接材料及連接材料LaCrO3發(fā)生反應。發(fā)生反應。u在室溫至在室溫至SOFC操作溫度范圍內無相變產生操作溫度范圍

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

15、物電導中占主導地位電子電導在整個復合物電導中占主導地位（）（） Ni-YSZ復合金屬陶瓷陽極的熱膨脹復合金屬陶瓷陽極的熱膨脹lNi-YSZ陽極的熱膨脹系數隨組成不同而發(fā)生改變。陽極的熱膨脹系數隨組成不同而發(fā)生改變。l隨著隨著Ni含量的增加，含量的增加， Ni-YSZ的熱膨脹系數增大。的熱膨脹系數增大。l嚴重的熱膨脹系數不匹配會在電池內部引起較大的應嚴重的熱膨脹系數不匹配會在電池內部引起較大的應力，造成電池組件的碎裂和分層剝離。可通過在電解質力，造成電池組件的碎裂和分層剝離?？赏ㄟ^在電解質中摻入添加劑的方法降低應力。中摻入添加劑的方法降低應力。（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率，具有較高的離子電導率，且在還原氣氛中會產生一定的電子電導，因此，將且在還原氣氛中會產生一定的電子電導，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)生電化學反應的三相界得以向中，可以使電極上發(fā)生電化學反應的三相界得以向電極內部擴展，從電極內部擴展，從而提高電極的反應活性而提高電極的反應活性。NiO-SDC復合材料的制備可以采用機械復合法，即將和復合材料的制備可以采用機械復合法，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電率操作條件下具有足夠高的電子導電率對氧化還原反應的催化活性對氧化還原反應的催化活性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穩(wěn)定性，在氧化氣氛中，陰極材料必須具有足夠的化學穩(wěn)定性，且其形貌、且其形貌、 微觀結構、尺寸等在電池長期運行過程中不能發(fā)生明顯微觀結構、尺寸等在電池長期運行過程中不能發(fā)生明顯變化。變化。（）（）電導率

18、電導率陰極材料必須具有足夠高的電子電導率，以降低在陰極材料必須具有足夠高的電子電導率，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電能力，以利于氧化還原產物向電解質的傳遞。子導電能力，以利于氧化還原產物向電解質的傳遞。 （）（）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，對氧化還原反應操作溫度下，對氧化還原反應具有足夠高的催化活性，以降低陰極上電化學活化極化過電位，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材料、連接材料或雙極板材料與密封材料電解質材料、連接材料或雙極板材料與密封材料化學上相化學上相容。容。（）（）熱膨脹系數熱膨脹系數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與至更高的制備溫度范圍內與其他電池材料熱膨脹系數相匹其他電池材料熱膨脹系數相匹配配。（）（）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?；钚晕簧涎鯕獾墓?。?；钚晕簧涎鯕獾墓?。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電子電導率高率高與與YSZ化學相容性好化學相容性好等特等特點，通過修飾可以調整其熱膨脹點，通過修飾可以調整其熱膨脹系數，使之與其他電池材料相匹系數，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法的過程：首先將固相反應法的過程：首先將各種氧化物按化學計量比各種氧化物按化學計量比混合均勻，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。液相反應法的過程：首先按化學計量比配制液相反應法的過程：首先按化學計量比配制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合氧化物成復合氧化物LSM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構的燒，即可制的具有鈣鈦礦結構的LSM超細粉。超細粉。（）（） LSM的結構的結構Mn和離子構成和離子構成MnO6八面體結構，而八個八面體結構，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的導電性能的導電性能為本征半導體，電導率很低。如在室溫下為本征半導體，電導率很低。如在室溫下的電導率為的電導率為，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，會使材料的電導率大幅度提高。在料的電導率大幅度提高。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電率。的含量，從而大幅度提高材料的電子導電率。（）（） LSM和和YSZ等其他電池材料的化學相容性等其他電池材料的化學相容性 與其他電池材料的熱膨脹系數的匹配性，摻雜可以增加與其他電池材料的熱膨脹系數的匹配性，摻雜可以增加的熱膨脹系

23、數，且隨著摻雜量的增加熱膨脹系數增的熱膨脹系數，且隨著摻雜量的增加熱膨脹系數增大。大。（1）摻雜的摻雜的（）（）1*LSGM的合成的合成 LSGM電解質材料的合成通常采用高溫固相反應法。按化學計量比電解質材料的合成通常采用高溫固相反應法。按化學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燒結體；將燒結體在研缽內加入乙醇研磨燒結體；將燒結體在研缽內加入乙醇研磨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。的結構的結構LaGaO3具有扭曲的具有扭曲的鈣鈣鈦礦鈦礦結結構，傾斜的構，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，組成正交結構的心，組成正交結構的晶胞。晶胞。的電導性能的電導性能的電導率隨溫度的升高而增大，隨著和對鈣鈦礦結構中的電導率隨溫度的升高而增大，隨著和對鈣鈦礦結構中的位和位的進行取代而產生的，和對電導活化能有不的位和位的進行取代而產生的，和對電導活化能有不同影響，增加的含量會降低電導活化能。與此相反，增加的摻雜量同影響，增加的含量會降低

25、電導活化能。與此相反，增加的摻雜量會使電導活化能增加。這種差異與兩種離子的離子半徑電荷比的不同有關。會使電導活化能增加。這種差異與兩種離子的離子半徑電荷比的不同有關。與其它電池材料的化學相容性與其它電池材料的化學相容性當用作的電解質材料時，對與各種電池材料的化當用作的電解質材料時，對與各種電池材料的化學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相容性顯得尤普遍采用的陽極材料，因此與或氧化的化學相容性顯得尤為重要。為重要。的熱膨脹系數的熱膨脹系數的熱膨脹系數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構轉變而產生大的收縮。通過摻雜和，可將收縮降至物相結構轉變而產生大的收縮。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致晶胞參數的增大，進而造成機械強度的下降。種離子半徑差異會導致晶胞參數的增大，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電性，又具有足夠高）既具有很高的離子導電性，又具有足夠高的電子導電性，很有希望作為中溫的電子導電性，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為電解為電解質的質的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)生反應而不能作為以為電解質發(fā)生反應而不能作為以為電解質SOFC的陰極。的陰極。2*（）的電導率隨摻雜量（）的電導率隨摻雜量的增加而下降，電導率峰值產生的溫度也從的增加而下降，電導率峰值產生的溫度也從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時的峰值電導率達到時的峰值電導率達到350，而對，而對x0.2的材料，其電導率的峰值為的材料，其電導率的峰值為160在在SOFC 系統中。電解質的最主要功能是傳導離子系統中。電解質的最主要功能是傳導離子, 而電解質中的電子傳而電解質中的電子傳導會產生兩極短路消耗能量導會產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要具有較大的離子導電能力且電子導電能力要盡可能小。電解質要具有較大的離子導電能力且電子導電能力要盡可能小。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、電解質的三相界面處會繁盛氧化還原反應還原反應, 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, 電解質必須是致電解質必須是致密的隔離層。密的隔離層。由于電解質的兩側分別與陰、陽極材料相接觸由于電解質的兩側分別與陰、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在高溫運行的環(huán)境中仍能保持較好的化學穩(wěn)定性。學穩(wěn)定性。電解質的晶體穩(wěn)定性也很重要電解質的晶體穩(wěn)定性也很重要, 因為晶體相變如果伴隨有較大的體積因為晶體相變如果伴隨有較大的體積變化變化, 將會使電解質產生裂紋或斷裂。將會

30、使電解質產生裂紋或斷裂。n因此因此, 電解質材料在制造運行環(huán)境中保持化學成分電解質材料在制造運行環(huán)境中保持化學成分, 組織結構組織結構, 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. 電解質材料電解質材料穩(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，用于于傳導氧離子和分隔燃料與氧化劑傳導氧離子和分隔燃料與氧化劑。陰極電解質陽極陰極電解質陽極“三合一三合一”組件有兩種基本結構：組件有兩種基本結構：電

31、解質支撐型和電極支撐型。兩種不同結構電解質支撐型和電極支撐型。兩種不同結構“三合一三合一”組件的電解質組件的電解質薄膜厚度不同。電解質支撐型的薄膜厚度不同。電解質支撐型的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。的結構的結構目前所用的電解質目前所用的電解質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、當當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, 當當2個個Zr4+被被2 個個Y3+取代取代, 相應地相應地, 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, 晶格晶格中產生一些氧離子空位。中產生一些氧離子空位。O2-通過氧空通過氧空位在電解質中輸運位在電解質中輸運的導電性的導電性的離子導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）（摩爾分數）的電導率最的電導率最高。其它濃度時，每一個氧空位均被束縛在缺陷復合體中，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)定的的電導率隨溫度的變化符合阿倫的電導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離子導電率與