固体氧化物燃料电池（SOFC）的基本组成

 

        单体燃料电池的主要组成部分有电解质（electrolyte）、阳极（anode）、阴极（cathode）和连接体（interconnect）或电极分离器 （bipolar separator），如图1.5 所示。
组成燃料电池的各组元材料在氧化和（或）还原气氛中要有较好的稳定性，包括化学稳定、晶型稳定和外形尺寸的稳定等；彼此间的化学相容性；合适的电 导性和相近的热膨胀系数。同时要求电解质和连接体是完全致密的，以防止燃料气和氧气的渗透混合；阳极和阴极应是多孔的 ，以利于气体渗透到反应位置 。燃料电池各组成材料的具体要求见表1.６ 。

 

一 、电解质材料 SOFC 中电解质是电池的核心 ，一般采用氧化物陶瓷制作 ，即烧结固熔体电解 质 —— 完全稳定化的ZrO２ 。电解质的性能直接决定着电池的工作温度和性能 。纯的 ZrO2 在1000 ℃ 的电阻率为 107 Ω／cm，接近于绝缘物质 。目前大量应用于 SOFC 的以 ZrO２ 为基的固体电解质 ，利用在 ZrO２ 中掺入某些二价或三价氧化物 ， 使 Zr^(4+)的位置被低价的金属离子置换 ，结果不仅使 ZrO２ （萤石结构）从室温到高温（1000℃ ）都有稳定的相结构 ，而且由于电荷补偿作用使其中产生了更多的O^(2-) 空 位 ，从而增加了 ZrO２ 的离子电导率 ，使其电导率达到 10^(-2）S／cm ，同时扩展了离子 导电的氧分压范围 。在这种稳定化 ZrO２ 中 ，以 O^(2-) 空位作为媒介 ，即利用空位机 理 ，表现出 O ^(2-) 导电性 。目前用作电解质较为常见的材料为Y2O3稳定 ZrO2 （简称 YSZ） ，它的离子电导率在氧分压变化十几个数量级时 ，不发生明显的变化 。目 前 ，如何制备性能合适的 YSZ 薄膜是人们研究的热点和难点 。 二 、阳极材料SOFC 的电极材料首先是一种催化剂 ，对阳极材料要求电子电导率高 ，在还原 气氛中稳定并保持良好的透气性 ，因而通常采用铂 ，但铂价格昂贵 。用镍 、钴等金 属材料会存在热膨胀不匹配和附着问题 ，长期的高温工作还会降低其空隙率 。目 前研究的方向是以金属陶瓷作为阳极材料 ，比较理想的是 Ni 复合的 YSZ 。研究合理的工艺 ，制备性能适合的 Ni-YSZ 复合材料是主要任务 。

 

 三 、阴极材料SOFC 的阴极与阳极相似 ，也应是多孔的电子导电薄膜 。由于电池的阴极在 高温氧化气氛环境工作 ，起传递电子和透过氧的作用 ，因此对阴极材料的要求比较 苛刻 。阴极材料应具有高的电导率 、高温抗氧化性以及高温热稳定性 ，并且不与电 解质起化学反应等特点。传统的材料为金属铂 ，近期发展的是掺杂氧化物陶瓷 ——— LaMnO３ 。作为 SOFC 的阴极材料 ，大量的实验证明 ，La１-xSr xMnO３ 是首选的阴极材料。 四 、连接体材料 电解质和电极材料一起组成三合一形式的单体电池单元 ，单体电池的功率是 有限的 ，只能产生 １V 左右的电压 ，为了获取大功率的电池组 ，必须将若干个单电 池以各种方式（串联 、并联 、混联）连接在一起 ，这就需要连接体材料和封接材料 。在 SOFC 中 ，要求连接体组元在高温下具有良好的电子导电性和稳定性 。目前只 有很少几种氧化物能够满足用作 SOFC 连接体材料 ，如钙钛矿结构的铬酸镧 （LaCrO３ ） 。高温合金材料用作 SOFC 连接体材料也是研究热点 。 五 、封接材料及其他 封接材料用于将电解质材料和连接体材料连接在一起 ，要求能耐高温 ，电池反应温度（700~1000 ℃ ）下 ，一般多用玻璃陶瓷混熔制备。此外 ，还需要其他附属材料 ，如用刚玉管作为氧气体室 ；用石英管作为燃料气体室 ，它们都带有进气口和出气口 ，均需密封连接 。六 、单体电池组装大规模的 SOFC 是由单体电池通过各种结构堆叠而成的电池组 ，目前主要发 展了管式、串接式、基块式、平板式等四种结构的电池组。在实际应用中 ，根据要求 ，把单个燃料电池串联和（或）并联在一起 ，形成电池组 ，以满足特定的应用 。图 1.５ 所示的单体燃料电池中 ，其阳极 、电解质 、阴极组成了三合一复合结构 ， 在实际研究和加工制作中 ，形成了四种不同的结构类型：管式设计（seal less tubular design） 、串接式设计（segmented-cell-in-series design） 、基块式设计（monolithic design） 、平板式设计（flat-plate design） ，其结构示意图见图 1.６ 。来源：《固体氧化物燃料电池材料及制备》韩敏芳 彭苏萍 著