固體氧化物燃料電池（SOFC）的基本組成

單體燃料電池的主要組成部分有電解質(zhì)（electrolyte）、陽極（anode）、陰極（cathode）和連接體（interconnect）或電極分離器 （bipolar separator），如圖1.5 所示。
組成燃料電池的各組元材料在氧化和（或）還原氣氛中要有較好的穩(wěn)定性，包括化學(xué)穩(wěn)定、晶型穩(wěn)定和外形尺寸的穩(wěn)定等；彼此間的化學(xué)相容性；合適的電 導(dǎo)性和相近的熱膨脹系數(shù)。同時要求電解質(zhì)和連接體是完全致密的，以防止燃料氣和氧氣的滲透混合；陽極和陰極應(yīng)是多孔的 ，以利于氣體滲透到反應(yīng)位置 。燃料電池各組成材料的具體要求見表1.６ 。

一 、電解質(zhì)材料 SOFC 中電解質(zhì)是電池的核心 ，一般采用氧化物陶瓷制作 ，即燒結(jié)固熔體電解 質(zhì) ——完全穩(wěn)定化的ZrO２。電解質(zhì)的性能直接決定著電池的工作溫度和性能 。純的 ZrO2 在1000 ℃ 的電阻率為 107 Ω／cm，接近于絕緣物質(zhì) 。目前大量應(yīng)用于 SOFC 的以 ZrO２ 為基的固體電解質(zhì) ，利用在 ZrO２ 中摻入某些二價或三價氧化物 ， 使 Zr^(4+)的位置被低價的金屬離子置換 ，結(jié)果不僅使 ZrO２ （螢石結(jié)構(gòu)）從室溫到高溫（1000℃ ）都有穩(wěn)定的相結(jié)構(gòu) ，而且由于電荷補(bǔ)償作用使其中產(chǎn)生了更多的O^(2-) 空 位 ，從而增加了 ZrO２ 的離子電導(dǎo)率 ，使其電導(dǎo)率達(dá)到 10^(-2）S／cm ，同時擴(kuò)展了離子 導(dǎo)電的氧分壓范圍 。在這種穩(wěn)定化 ZrO２ 中 ，以 O^(2-)空位作為媒介 ，即利用空位機(jī) 理 ，表現(xiàn)出 O ^(2-)導(dǎo)電性 。目前用作電解質(zhì)較為常見的材料為Y2O3穩(wěn)定 ZrO2 （簡稱 YSZ） ，它的離子電導(dǎo)率在氧分壓變化十幾個數(shù)量級時 ，不發(fā)生明顯的變化 。目 前 ，如何制備性能合適的 YSZ 薄膜是人們研究的熱點和難點 。 二 、陽極材料SOFC 的電極材料首先是一種催化劑 ，對陽極材料要求電子電導(dǎo)率高 ，在還原 氣氛中穩(wěn)定并保持良好的透氣性 ，因而通常采用鉑 ，但鉑價格昂貴 。用鎳 、鈷等金 屬材料會存在熱膨脹不匹配和附著問題 ，長期的高溫工作還會降低其空隙率 。目 前研究的方向是以金屬陶瓷作為陽極材料 ，比較理想的是 Ni 復(fù)合的 YSZ 。研究合理的工藝 ，制備性能適合的 Ni-YSZ 復(fù)合材料是主要任務(wù) 。

三 、陰極材料SOFC 的陰極與陽極相似 ，也應(yīng)是多孔的電子導(dǎo)電薄膜 。由于電池的陰極在 高溫氧化氣氛環(huán)境工作 ，起傳遞電子和透過氧的作用 ，因此對陰極材料的要求比較 苛刻 。陰極材料應(yīng)具有高的電導(dǎo)率 、高溫抗氧化性以及高溫?zé)岱€(wěn)定性 ，并且不與電 解質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)等特點。傳統(tǒng)的材料為金屬鉑 ，近期發(fā)展的是摻雜氧化物陶瓷 ——— LaMnO３ 。作為 SOFC 的陰極材料 ，大量的實驗證明 ，La１-xSr xMnO３ 是首選的陰極材料。 四 、連接體材料 電解質(zhì)和電極材料一起組成三合一形式的單體電池單元 ，單體電池的功率是 有限的 ，只能產(chǎn)生 １V 左右的電壓 ，為了獲取大功率的電池組 ，必須將若干個單電 池以各種方式（串聯(lián) 、并聯(lián) 、混聯(lián)）連接在一起 ，這就需要連接體材料和封接材料 。在 SOFC 中 ，要求連接體組元在高溫下具有良好的電子導(dǎo)電性和穩(wěn)定性 。目前只 有很少幾種氧化物能夠滿足用作 SOFC 連接體材料 ，如鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鉻酸鑭 （LaCrO３ ） 。高溫合金材料用作 SOFC 連接體材料也是研究熱點 。 五 、封接材料及其他 封接材料用于將電解質(zhì)材料和連接體材料連接在一起 ，要求能耐高溫 ，電池反應(yīng)溫度（700~1000 ℃ ）下 ，一般多用玻璃陶瓷混熔制備。此外 ，還需要其他附屬材料 ，如用剛玉管作為氧氣體室 ；用石英管作為燃料氣體室 ，它們都帶有進(jìn)氣口和出氣口 ，均需密封連接 。六 、單體電池組裝大規(guī)模的 SOFC 是由單體電池通過各種結(jié)構(gòu)堆疊而成的電池組 ，目前主要發(fā) 展了管式、串接式、基塊式、平板式等四種結(jié)構(gòu)的電池組。在實際應(yīng)用中 ，根據(jù)要求 ，把單個燃料電池串聯(lián)和（或）并聯(lián)在一起 ，形成電池組 ，以滿足特定的應(yīng)用 。圖 1.５ 所示的單體燃料電池中 ，其陽極 、電解質(zhì) 、陰極組成了三合一復(fù)合結(jié)構(gòu) ， 在實際研究和加工制作中 ，形成了四種不同的結(jié)構(gòu)類型：管式設(shè)計（seal less tubular design） 、串接式設(shè)計（segmented-cell-in-series design） 、基塊式設(shè)計（monolithic design） 、平板式設(shè)計（flat-plate design） ，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1.６。來源：《固體氧化物燃料電池材料及制備》韓敏芳 彭蘇萍 著