燃料電池_3-6_固體氧化物燃料電池

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熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池 (

2、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n固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池 (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：我國硅酸鹽固體氧化物燃料電我國硅酸鹽固體氧化物燃料電池取得突破池取得突破n目前各類燃料電池中能量轉化效率最高的“陶瓷電池”，竟是一枚約1毫米薄、巴

4、掌大小的陶瓷片。從中科院上海硅酸鹽研究所獲悉，該所固體氧化物燃料電池小組在國內率先取得突破進展，有能力將300片“陶瓷電池”層疊串聯，功率可滿足一戶普通家庭用電需求。一塊僅10厘米見方的陶瓷電池單片。其關鍵夾層是一片以氧化鋯為主要成分的特種陶瓷，厚度為0.015毫米，比紙還薄。陶瓷薄膜正面涂有黑色的稀土金屬復合氧化物，作為正極；反面是一層較厚的綠色“金屬陶瓷”，作為負極。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-，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

5、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

6、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必須在必須在還原氣氛中穩(wěn)定還原氣氛中穩(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陽極材料還必須與其它電池材料在室溫室溫至至操作溫度操作溫度乃至

7、更乃至更高的高的制備溫度制備溫度范圍內范圍內化學上相容、熱膨脹系數相匹配化學上相容、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，陽極材料必須在在燃料氣氛中，陽極材料必須在化學性質化學性質、形貌形貌和和尺度尺度上保持穩(wěn)定。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極化，同時還具備高的，同時還具備高的氧離子氧離子導電率導電率，以實現電極立體化。，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

8、材料必須在陽極材料與相接觸的其它電池材料必須在室室溫至制備溫度溫至制備溫度范圍內范圍內化學上相容化學上相容。（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

9、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金屬鎳及及氧化釔穩(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

10、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。軋膜法、軋膜法、rolledfilm：n一種陶瓷坯片的成型方法一種陶瓷坯片的成型方法o 粉料和有機黏結劑混合均勻o 在兩個反向滾動的軋輥上反復進行混練，使黏結劑和粉料充分均勻分布，溶劑逐步揮發(fā)(必要時可開電風扇加速其揮發(fā))，坯料由稀到稠，直至不粘軋輥o 混練好的坯料經過折迭、倒向、反復進行粗軋，將其中氣泡排除，以獲得均勻一致的膜層o 再逐漸縮小軋輥間的間距進行

11、精軋，使之成為所需的薄膜(厚度可達十微米至幾毫米)n 軋膜常用黏結劑為聚乙烯醇或聚醋酸乙烯酯等有機高分子化合物，有時還加入分散劑，增塑劑等n 軋膜成型的優(yōu)點是工藝簡便，軋出的膜片表面光滑，均勻，致密n 反復軋膜，常會引入少量雜質，有時對產品電性能產生不利影響n 費時也較長，不便連續(xù)化操作n 主要用于薄片狀電容器坯片、壓電陶瓷揚聲器(蜂鳴片)、濾波器坯片和厚膜電路基板坯片等（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，即實現電極的立體化，并在SOF

12、C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作為作為金屬金屬Ni的載體的載體，可有效地防止在，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及及連接材料連接材料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內無相變產生。

13、（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物電導中占主導地位

14、電子電導在整個復合物電導中占主導地位滲域理論？（）（） 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)生陽極的熱膨脹系數隨組成不同而發(fā)生改變。改變。l隨著隨著Ni含量的增加含量的增加， Ni-YSZ的的熱膨脹系數增熱膨脹系數增大大。l嚴重的熱膨脹系數不匹配會在電池內部引起較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。大的應力，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。可通過在電解質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YSZ相比，

15、由于相比，由于SDC(Ni-Sm2O3 摻雜的摻雜的CeO2)具有具有較高的離子電導率較高的離子電導率，且在還原氣氛中會產生一定的且在還原氣氛中會產生一定的電子電導電子電導，因此，將，因此，將SDC等摻入到陽極催化等摻入到陽極催化劑劑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復合材料的制備可以采用機械復合法機械復合法，即將和，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，用瑪瑙研缽進行研磨。SSC

16、=SDCSSC：samriastablizedceriaSDC:samriadopedceria釤穩(wěn)定鈰釤穩(wěn)定鈰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陰極材料必須在氧化氣氛下保持穩(wěn)定穩(wěn)定在在SOFC操作條件下具有操作條件下具有足夠高的電子導電率足夠高的電子導電率對氧氣還原反應的對氧氣還原反應的催化活性催化活性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

17、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一定的離子導電能力子導電能力，以利于氧化還原產物向電解質的傳遞。，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具有足夠高的催化活性足夠高的催化活性，以降低陰極上電化學活化極化過電位，提高

18、，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陰極必須在室溫室溫至至SOFC操作溫度操作溫度，乃，乃至更高的至更高的制備溫度制備溫度范圍內與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１；钚晕簧涎鯕?/p>

19、的供應。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

20、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，即可制的具有燒，即可制的具有鈣鈦礦結構的鈣鈦礦結構的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

21、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。位于立方體的中心。（）（） LSM的導電性能的導電性能 LaMnO3為為本征半導體，電導率很低本征半導體，電導率很低。如在室溫下。如在室溫下LaMnO3的電導率的電導率為為10-4-1cm-1，700時為時為0.1-1cm-1。但是，在但是，在LaMnO3位和位位和位摻摻雜低價態(tài)的金屬離子，會使材料的電導率大幅度提高。在雜低價態(tài)的金屬離子，會使材料的電導率大幅度提高。在LaMnO3中摻中摻雜雜SrO，Sr2+會代替會代替La3+增加增加Mn4+的含量，從而大幅度提高材料的電子的含量，從而大幅度

22、提高材料的電子導電率。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 LSM與其他電池材料的熱膨脹系數的匹配性，摻與其他電池材料的熱膨脹系數的匹配性，摻雜雜Sr可以增加可以增加LaMnO3的熱膨脹系數的熱膨脹系數，且隨著，且隨著摻雜量的增加摻雜量的增加LSM熱膨脹系數增大熱膨脹系數增大（1）Sr、Mg摻雜的摻雜的LaGaO3（LSGM、La1-xSrxGa1-yMgyO3）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。按化學計量比將化學計量比將La2O3SrCO3和摻雜劑和摻雜劑Ga2

23、O3MgO混合混合均勻，在均勻，在1000焙燒焙燒6h，將得到的粉料重新研磨，將粉料，將得到的粉料重新研磨，將粉料在在1500下焙燒下焙燒15h，即獲得，即獲得LSGM燒結體；將燒結體在燒結體；將燒結體在研缽內加入乙醇研磨研缽內加入乙醇研磨12h，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可采用“氨基乙酸硝酸鹽氨基乙酸硝酸鹽”燃燒法，燃燒法，檸檬酸法。檸檬酸法。LSGM的結構的結構LaGaO3具有具有扭曲的扭曲的鈣鈣鈦礦鈦礦結結構，構，傾斜的傾斜的GaO6八面體八面體位于正六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

24、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LSGM的的電導率隨溫度的升高而增大電導率隨溫度的升高而增大，隨著，隨著Sr和和Mg對鈣鈦礦結構中的對鈣鈦礦結構中的位位La和位的和位的Ga進行取代而產生的，進行取代而產生的，Sr和和Mg對電導活化能有不同影響，對電導活化能有不同影響，增增加加Sr的含量會降低電導活化能的含量會降低電導活化能。與此相反，。與此相反，增加增加Mg的摻雜量會使電導活化能的摻雜量會使電導活化能增加增加。這種差異與兩種離子的離子半徑電荷比的不同有關。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當LSGM用作用

25、作SOFC的陰極材料時，對的陰極材料時，對LSGM與各種電池材料的化學相容性，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的穩(wěn)定性必須予以重視。及材料本身在氧化還原氣氛中的穩(wěn)定性必須予以重視。Ni是是SOFC中最普遍中最普遍采用的陽極材料，因此采用的陽極材料，因此LSGM與與Ni或氧化態(tài)的或氧化態(tài)的NiO的化學相容性顯得尤為重的化學相容性顯得尤為重要。要。的熱膨脹系數的熱膨脹系數的的熱膨脹系數隨著摻雜量的增大而增大熱膨脹系數隨著摻雜量的增大而增大，摻雜量與其中的，摻雜量與其中的氧空位濃度呈正比。氧空位濃度呈正比。因在因在421發(fā)生發(fā)生正交到斜方晶系的物正交到斜方晶系的物相結構轉變相結

26、構轉變而而產生大的收縮產生大的收縮。通過摻雜和，可將收縮降至很。通過摻雜和，可將收縮降至很低。低。的機械性能的機械性能室溫下，的室溫下，的彎曲強度隨摻雜量的增加而降低彎曲強度隨摻雜量的增加而降低，因為，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種離子半徑差異會導致晶胞參數的增大晶胞參數的增大，進而造成，進而造成機械強度的下降機械強度的下降。其它陰極材料其它陰極材料1*La1-xSmxCoO3-（LSC）既具有很）既具有很高的離子導電性高的離子導電性，又具有，又具有足夠高的足夠高的電子導電性電子導電性，很有希望

27、作為，很有希望作為中溫中溫SOFC的陰極材料的陰極材料。LSC在以在以SDC為為電解質的電解質的SOFC中作為陰極材料中作為陰極材料有很高活性。但是，有很高活性。但是，LSC由于其在由于其在高高溫下會與發(fā)生反應溫下會與發(fā)生反應而而不能作為以為電解質不能作為以為電解質SOFC的陰極的陰極。2*La1-xSrxCo1-yFeyO3-（LSCF）的）的電導率隨摻雜量的增加而下降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電導率峰值產生的溫度也從200升高到升高到920。La:Sr的比例對材料的比例對材料的性能也有較大影響。的性能也有較大影響。x=0.4時時LSCF的峰值電導率達到的峰值電導率

28、達到350 S.cm-1，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 S.cm-1釤、Samarium鍶、鍶、Strontium在在SOFC 系統(tǒng)中。系統(tǒng)中。電解質電解質的最主要功能是的最主要功能是傳導離子傳導離子, 而電解而電解質中的質中的電子傳導會產生兩極短路消耗能量電子傳導會產生兩極短路消耗能量, 從而減少電池從而減少電池的電流輸出功率的電流輸出功率電解質要具有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較大的離子導電能力且電子導電能力要盡可能小能小。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會

29、發(fā)生氧化還原反應發(fā)生氧化還原反應, 為了阻止氧化氣體和還原氣體的相為了阻止氧化氣體和還原氣體的相互滲透互滲透, 電解質必須是致密的隔離層電解質必須是致密的隔離層。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, 并暴露于并暴露于氧化性或還原性氣體中氧化性或還原性氣體中, 這就要求電解質這就要求電解質在高溫運行的環(huán)在高溫運行的環(huán)境中仍能保持較好的化學穩(wěn)定性境中仍能保持較好的化學穩(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, 因為因為晶體相變晶體相變如果如果伴隨有伴隨有較大的體積變化較大的體積變化, 將會使將會使電解質產生裂紋或斷裂電解質產生裂紋或

30、斷裂。n因此因此, 電解質材料在電解質材料在制造、運行環(huán)境中制造、運行環(huán)境中保持保持化學成分化學成分, 組織組織結構結構, 形狀形狀和和尺寸尺寸的穩(wěn)定是很重要的。的穩(wěn)定是很重要的。n目前常用的電解質材料有目前常用的電解質材料有氧化鋯基、氧化鈰基、氧化鉍基氧化鋯基、氧化鈰基、氧化鉍基的鈣鈦礦型的鈣鈦礦型陶瓷材料等陶瓷材料等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在中，的最重要的用途是制備成致密的薄膜，用于的薄膜，用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”組件有兩種組件有兩種基本結構：電解質支撐型

31、和電極支撐型。兩種不同結構基本結構：電解質支撐型和電極支撐型。兩種不同結構“三合一三合一”組件的電解質薄膜厚度不同。組件的電解質薄膜厚度不同。電解質支撐型電解質支撐型的的YSZ薄膜厚度一般在薄膜厚度一般在200以上以上，電極支撐型電極支撐型的的YSZ薄膜薄膜厚度一般在厚度一般在5-20之間。薄膜的制備方法分為兩之間。薄膜的制備方法分為兩類：一類是基于類：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) 。純氧化鋯是絕緣體。純氧化鋯是絕緣體,當

32、當Y2O3 和和ZrO2混合后混合后, 晶格中一部晶格中一部分分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- 取代取代4 個個O2- , 空出一個空出一個O2-位置位置, 因而因而, 晶格中產生一些氧離子空位。晶格中產生一些氧離子空位。O2-通過氧空位在電解質中輸運通過氧空位在電解質中輸運空位個產生取代221232OZrOOY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氛和晶界等。氣氛和晶界等。（）（）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）的的電電導率最高導率最高。其它濃度時，每一個氧空位均被束縛在缺陷復合體中，遷。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。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的電導率隨溫度的變化符合阿倫尼烏斯方程。符合阿倫尼烏斯方程。（）（）氣象分壓的影響氣象分壓的影響在在很寬的氧分壓范圍內離子導電