固體氧化物燃料電池膜電解質(zhì)的研究進(jìn)展

尹俊，郭為民，2，3，樂志文，黃榮洲，奉少東

(1.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西科技大學(xué) 廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實驗室，廣西 柳州 545006；3.廣西科技大學(xué) 廣西高校糖資源加工重點(diǎn)實驗室，廣西 柳州 545006)

固體氧化物燃料電池(SOFCs) 作為能量轉(zhuǎn)換裝置，其工作方式是在高溫下將化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)發(fā)電系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是由于其較高的電轉(zhuǎn)換效率，環(huán)境友好性和燃料靈活性而引起了很多關(guān)注[1-3]。降低SOFC的工作溫度到500～700 ℃的范圍可以提高長期性能的穩(wěn)定性，擴(kuò)大材料選擇，降低成本并提高系統(tǒng)的啟動速度[4]。還可以減少電極燒結(jié)，電解質(zhì)和電極之間的界面擴(kuò)散以及SOFC組件中的熱應(yīng)力，從而延長系統(tǒng)的壽命[5]。為了能夠在較低溫度(<800 ℃)下操作SOFC，其中一個選擇是使用薄電解質(zhì)[6]。本文將從電解質(zhì)薄膜材料的選擇及電解質(zhì)薄膜制備方法及工藝進(jìn)行綜述。

1 電解質(zhì)材料的選擇

電解質(zhì)材料是SOFC所有組分中的重要組分之一，選擇適配且性能優(yōu)越的電解質(zhì)可以增強(qiáng)電池的性能和降低其工作溫度。目前，圍繞優(yōu)化電解質(zhì)材料的制備工藝，摻雜材料的改性，發(fā)現(xiàn)新的高效電解質(zhì)材料，已經(jīng)開展了大量的研究工作。

1.1 傳統(tǒng)電解質(zhì)

螢石結(jié)構(gòu)由位于體心位置的金屬陽離子和簡單的立方堆積的O2-組成的晶體。其結(jié)構(gòu)最具特點(diǎn)的就是有較大的“自由體積”，可以大范圍的對陽離子格位進(jìn)行取代。

ZrO2是研究最深入的導(dǎo)氧固體電解質(zhì)之一，化學(xué)穩(wěn)定性良好，高溫下有很高的氧離子傳導(dǎo)性。氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)在ZrO2基電解質(zhì)材料中，是最為常用的電解質(zhì)材料之一[7]。

從室溫到熔點(diǎn)純的CeO2均為立方螢石結(jié)構(gòu)(見圖1)，離子導(dǎo)電率可以忽略不計，為了使其可以作為SOFC電解質(zhì)材料，純的CeO2經(jīng)過摻雜后，在高溫下才具有較高的O2-電導(dǎo)率和較低的電導(dǎo)活化能。……