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1、固体氧化物燃料电池电解质材料的发展趋势徐旭东1,乙田长安1,尹奇异1,程继海1（1.合肥学院化学与材料工程系，合肥230022;2.北京航空航天大学物理学院，北京100191）摘要：木文综述了近年來用于固体氧化物燃料电池（Solidoxidefuelcells,SOFCs）的面心立方萤石型、立方钙钛矿熨和磷灰石型结构电解质材料在国内外的研究进展情况，并简要介绍了SOFCs电解质薄膜制备工艺的研究情况，最后对电解质材料中低温化的发展趋势进行了展望。关键词：周体氧化物燃料电池；电解质；薄膜工艺屮图分类号：0643文献标识码：A文章编号:1001-1625（2011）03-
2、0593-041引言同体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的新型、洁净的发电装置，具有高效、便捷、环境友好和实用性强等优点，在能源、化工、环境、交通和航天等领域有着极其广泛的应用前景［1］o曰前，SOFCs的中低温化是SOFCs商业化发展的关键，研究表明使用具有高氧离子电导率的电解质材料以及电解质材料的薄膜化是实现SOFCs屮低温化的主要途径［2］。在SOFCs工作过程屮，电解质起着传递02-和隔离空气与燃料的双重作用，电子经电解质山阳极流向阴极，02-山阴极流向阳极，电解质是连接燃料电池阴阳极的桥梁［3］。面心立方萤石型、立方钙钛矿型和磷灰石型结构氧化物是目
3、前常见的具有高离子电导率的电解质材料。木文在对以上三种结构类型电解质材料的国内外研究情况进行综述的基础上简要介绍电解质薄膜制备技术近几年的发展情况，最后对电解质材料的发展趋势进行展望。2萤石型电解质萤石型电解质主要有ZrO基和CeO基氧化物两类。其中，ZrO是人们研究较早的一种电解质材料。纯的ZrO2氧离子电导率低，不能直接作为电解质材料。为获得高的离子电导率,通常在ZrO2中掺杂不同量的低价氧化物（M0或M20）使之发生的反应方程式如下：ZiO2•M0—MZr+Vo+0o（1）ZtO2M2O3―2MZr+V0+30o（2）山上反应式可看出，掺杂的低价阳离子占据了主相
4、离子点阵位磴，产生大杲的氧空位等缺陷，使ZrO2基氧化物氧离子电导率増大［4］。硏究表明［3,5,6］,ZrO2基氧化物的导电性能与体系的缺陷浓度密切相关,电导率先随看掺杂最和氧空位的増大而増大；当掺杂达到一定量后，电导率及氧空位活动性能随着掺杂貳的増大而降低。此外,ZrO2基氧化物的电导率还受掺杂离子种类的影响，一般來说掺杂的阳离子半径与Zr4+半径差距越小，电解质的电导率越大。如用与Zr4+半径最接近的Sc3+掺杂所得的SDZ的电导率在800°C时可达0.1S/cm［6］。ZrO2基氧化物是人们很早就开始关注和研究的一类电解质材料，但是它还存在一些问题（如:电池的
5、操作温度过高、寿命短、対含硫燃料容忍性差等）需:要进一步研究解决。CeO2基氧化物是人们密切关注的另一类萤石型氧化物电解质。纯的CeO2是一种离子与电子的混合导体，不合适作电解质（600°C时离子电导率仅为1x10-5S/cm）［7,9］。可喜的是CeO2基氧化物若掺杂低价的碱土或稀土氧化物，能有效增加体系氧离子空位，形成离子电导率大、电导活化能低的固溶体。CeO2基电解质在屮温时的电导率要比相同条件下YSZ的电导率大的多（8YSZ在800°C电导率约为0.0212S/cm,Sm3+掺杂CeO2在800°C的电导率可达0.117S/cm［8］）。CeO2基电解质与Zr
6、O2基电解质类似,其电导率与掺杂的氧离子种类有关。低浓度掺杂时,CeO2tf电解质电导率主要受掺杂离子半径影响，掺杂离子半径与Ce4+越近电导率越高［9］。如用与Ce4+半径接近的Sm3+、Gd3+等掺杂，所得CeO2氧化物具有较高的氧离子电导率（800°C时，Sm3+掺杂CeO2的电导率达0.117S/cm［8］,Gd3+掺杂CeO2的电导率为0.1S/cm［9］)。掺杂浓度增加后,CeO2基电解质不仅与掺杂离子的种类有关还与掺杂离子的浓度有关，当掺杂量超过最佳掺杂浓度后，其离子电导率会逐渐降低［10］。分析认为，可能是因为当掺杂的杲过高，产生过多的氧离子空位,过多
7、的空位之间发生簇合作用，使得有效的氧离子空位减少，从而导致电导率下降［11］。此外，CeO2电解质处在还原气氛下时，Ce4+易被还原，出现电子、离子混合电导，使得SOFCs使用效率大大降低。为了抑制CeO2基电解质还原问题，通常可采用二元或多元复合掺杂。如，掺杂Y2O3物质的最为10%的CeO2固溶体不仅增加了离子电导、抑制电子电导，同时提高了电解质的稳定性［12］。冃前,掺杂的CeO2基电解质是很有希望能运用于中低温SOFCs之中。除以上两种萤石型电解质外，具有高的氧离子电导率、低的合成温度等优点的Bi2O3基氧化物也是人们关注的一种萤石型电解质材
