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），如下圖所示。

 

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(shí)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下表 。

 

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(jià)或三價(jià)氧化物 ， 使 Zr^(4+)的位置被低價(jià)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(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)時(shí) ，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(diǎn)和難點(diǎn) 。

二 、陽極材料

SOFC 的電極材料首先是一種催化劑 ，對(duì)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(jià)格昂貴 。用鎳 、鈷等金屬材料會(huì)存在熱膨脹不匹配和附著問題，長期的高溫工作還會(huì)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(duì)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(diǎn)。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(shí)驗(yàn)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(gè)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(diǎn)。

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(shí)際應(yīng)用中 ，根據(jù)要求 ，把單個(gè)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(shí)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(jì)（seal less tubular design） 、串接式設(shè)計(jì)（segmented-cell-in-series design） 、基塊式設(shè)計(jì)（monolithic design） 、平板式設(shè)計(jì)（flat-plate design） ，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1.６ 。

 

本文來源于：《固體氧化物燃料電池材料及制備》韓敏芳 彭蘇萍著，艾邦氫科技網(wǎng)，轉(zhuǎn)載請注明出處

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