低温固体氧化物燃料电池电解质材料.pdf

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1、低温固体氧化物燃料电池电解质材料韩达，吴天植，辛显双，王绍荣，占忠亮（中国科学院上海硅酸盐研究所，上海200050）[摘要]低温化是固体氧化物燃料电池（SOFC）发电技术的重要发展趋势。SOFC工作温度的降低不仅可极大地降低材料及制备成本，更重要的是可极大地提高其长期运行的稳定性。电解质是SOFC的核心部件，可以采用电解质薄膜化或新型电解质材料来降低SOFC的工作温度。本文概述了目前被广泛研究的低温SOFC的电解质材料，并从其结构及性能出发，重点阐述了它们各自的优点和局限性。[关键词]低温SOFC；新型电解质；离子电导率[中图分类号]TB333[文献标识码]

2、A[文章编号]1009-1742（2013）02-0066-06材料以及相应制备技术的选择。一般而言，SOFC1前言电解质材料需要具备以下条件：固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种全固态能1）离子电导率高：可降低电解质隔膜的欧姆电阻；量转换装置，通过电化学氧化还原反应将燃料化学2）可以忽略的电子电导率：可减小电池内短路能直接转化成电能，具有发电效率高、环境友好、燃电流；料适应性广和高温余热可回收等优点，在家庭热电3）在氧化和还原气氛下都具有较好的稳定性；联供、便携式电源、汽车辅助电源和大型分布式电4）机械强度高：在燃料电池工作条件下不易发站等领域具有广阔的应

3、用前景。SOFC单体电池由生电解质开裂等现象。致密的氧化物电解质和多孔陶瓷阴阳极构成，单体氧化钇稳定氧化锆（YSZ）是研究最充分并得到实电池与集流层、连接体、密封材料等构成重复单元，际应用的固体电解质材料，800℃时氧离子电导率为这样的重复单元相互串联组成大功率电池堆。根0.026S/cm，10μm厚电解质隔膜的内阻仅仅为2据工作温度区间的不同，SOFC大致可以分为高温0.038Ω·cm。Souza等构建的中温阳极支撑10μm厚YSZ2型（900～1000℃）、中温型（700～850℃）和低温型电解质薄膜电池在800℃获得了1.9W/cm的最大输出[1]（4

4、00～600℃）。高温工作不仅提高了SOFC材料成功率。不过，600℃时YSZ氧离子电导率只有0.002S/cm，2本，而且带来了其稳定性问题，阻碍了实际应用。10μm厚YSZ电解质薄膜电阻高达0.5Ω·cm，而要获22随着工作温度的降低，合金氧化速度大大下降，价得1W/cm的最大输出功率，电池总内阻应低于0.3Ω·cm。格低廉的不锈钢合金可以用作单电池间的连接体可见，YSZ已不符合高性能低温SOFC对电解质材料材料。此外，低温化可以降低电池多层陶瓷结构的的要求。目前，可用于低温SOFC的固体电解质材料热应力，减缓电极材料的老化速度，提高电池输出主要有镓酸镧

5、基电解质、氧化铈基电解质、氧化铋基电功率的长期稳定性。解质和质子导体电解质等体系。电解质是SOFC最核心的部件，其荷电输运特2镓酸镧基电解质性和热膨胀性质不但直接影响电池的工作温度和电能转换效率，还决定了与之相匹配的阴极和阳极钙钛矿型氧化物（基本分子式为ABO3）具有四[收稿日期]2012-11-07[基金项目]国家重点基础研究发展计划“973计划”资助项目（2012CB215401）[作者简介]占忠亮（1976—），男，安徽桐城市人，研究员，主要研究方向为固体氧化物燃料电池关键材料和发电系统；E-mail：zzhan@mail.sic.ac.cn66中国工

6、程科学方对称结构，使得氧离子在晶格中快速扩散成为可如图2所示，电导率活化能为0.80eV，600℃时的氧能，而且该结构比较稳定，能够容忍A位和B位离子离子电导率为0.03S/cm，是YSZ在同等温度下电导率半径的较大变化，同时，通过A位和B位的低价离子的20倍。为了进一步提高离子电导率，Ishihara等尝3+取代可以引入大量的氧空位。因此，在探寻新的氧试在B位掺入铁、钴、镍、铜和锰等离子，由于Fe3+3+离子导体研究中，钙钛矿结构氧化物受到人们越来（0.064nm）、Co（0.061nm）和Ni（0.060nm）离子3+越多的关注。一般认为，氧离子沿BO6

7、八面体的半径与Ga（0.062nm）相近，因此可以在LaGaO3晶（110）边走最直接的直线路径跳跃到最邻近的空格中稳定存在并提高氧离子电导率，它们的最佳掺[4]位，也就是穿过由2个A位离子和1个B位离子构成杂量分别为3%、8.5%和7%。的三角形瓶颈区域DAAB（见图1），可见，BO6八面体的倾斜度直接影响着氧离子迁移过程，晶体对称性增加，BO6八面体倾斜度降低，瓶颈区域增大，迁移就变得相对容易。图2LSGM电导率和温度的关系Fig.2ConductivitiesasafunctionoftemperatureforLSGM图1钙钛矿结构中氧离子迁移模型F

8、ig.1Migrationpathwayoftheo