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综述与述评
2003年第1期(总第95期)现代技术陶瓷

固体氧化物燃料电池材料的研究进展

江金国1刘晓芳2石汝军3
(1武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070;2山东理工大学材料科学与工程学院,淄博255100;
3山东硅苑新材料科技股份有限公司,淄博255086)

摘要固体氧化物燃料电池(SOFC)是当今一种先进的能量转换装置,具有能量转换效率高、环
境友好、燃料适用性强和无腐蚀等突出优点。该电池通常用陶瓷作组装材料,操作温度为600～1000℃。

详细介绍了固体氧化物燃料电池各元件的材料,包括Y2O3稳定化的ZrO2固体电解质,Ni/稳定化ZrO2阳

极,掺杂的LaMnO3阴极以及掺杂的LaCrO3连接材料等。
关键词固体氧化物燃料电池电解质阴极阳极连接材料

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有能量转换下它是单斜晶体结构,在1170℃转变成四方结

效率高、环境友好(即很低的NOx,SO2,粉尘和噪构,在2370℃时变成立方结构。这种立方结构有
声排放)、燃料适用性强和无腐蚀等突出优点,是利于离子导电,通过添加某些二价或三价的氧化
[1～4]
一种最有前途的高效、洁净发电技术之一,近物(如CaO,MgO,Y2O3和一些稀土元素氧化物
年来受到国内外有关方面的极大关注。特别是从等),一方面可以使立方结构在室温到熔点的范围
世纪年代以来材料科学的迅速发展使其
2080,内稳定,另一方面还可增加ZrO2中的氧空位浓
研究开发工作更加令人瞩目。它是全陶瓷结构,度,大大提高其离子导电能力。钇稳定的二氧化
包括固体电解质材料、阴极材料、阳极材料以及连锆(YSZ)是目前SOFC系统主要使用的电解质材
接材料。关于SOFC的工作原理和发展现状已有
料,Y2O3稳定ZrO2的关系式可用下式表示:
文章介绍,这里不再叙述。本文将对电池用几种ZrO
2x
材料的研究进展进行详尽的综述。Y2O32YZr′+Vo″+3Oo
在此过程中,Y替代Zr4+晶格位置,同时产生
1电解质材料氧空位,氧离子通过这些氧空位实现其离子导电。
实验证明,稳定ZrO2的离子电导率与掺杂氧化物
SOFC要求[5]固体电解质材料除了具有高氧的含量有关,掺杂量增加到某一值时,离子电导率

离子电导率和低电子迁移数(te≤0.01)外,尚需有出现极大值;当掺杂量继续增大时离子电导率反
在高温以及氧化、还原气氛中的稳定性,与电极材而下降,这是由于此时的氧空位变得无序化,产生

料的化学相容性和热膨胀匹配性,足够的机械强了团聚和静电相互作用所致。研究表明:Y2O3掺
度,稳定的形状、尺寸,适中的价格等。入量为8%～10%(摩尔分数)时,导电性能最好。

1.1稳定化的ZrO2电解质但YSZ在长期使用过程中也存在不足之处:该陶
目前广泛使用的固体电解质仍是早期开发的瓷较脆,极易由于组装及不同工作阶段引起固体

以ZrO2为基的固体电解质,使用最广的稳定剂为氧化物燃料电池的裂纹而发生破碎,进而会引起
[6]
碱土金属氧化物和烯土氧化物。纯ZrO2由于其燃料和氧化剂的交叉渗漏,降低电池的性能和效
离子导电能力太低而不能用作电解质材料,室温率。目前,用于提高电解质韧性的方法大多基于

作者简介:江金国(1978～),男,硕士研究生1主要从事电子功能陶瓷方面的研究1

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综述与述评
现代技术陶瓷2003年第1期(总第95期)

[7]
添加增韧剂的原则,唐先敏等人发现:在ZrO2+料与之相匹配,同时它和一些燃料气体的长期稳

Y2O3系中适量添加一定量的Al2O3,可大大提高定性有待深入研究。
材料的抗热震性能和韧性,而不改变其电性能。
1.2其它电解质材料2阳极材料
另外,还有3类新型陶瓷材料有望成为SOFC
[8]阳极燃料电极材料的选择与燃料气体在电
的固体电解质材料:稳定化的Bi2O3,掺杂的()
极表面发生的催化氧化反应机理有关但它必须
CeO2以及掺杂的LaGaO3。在所有的陶瓷电解质,
满足以下几个方面的要求[5]:①在还原气氛中稳
中,δ—Bi2O3表现出最高的氧离子电导率(在
定②较高的电子导电率③在高温时与电解质材
750℃大约有1Scm-1),这可能归功于其相当疏;;
料有良好的化学相容性和热膨胀的匹配性④催
松的结构,这种结构仅在729℃以上稳定,但如果;
化性能良好及高透气性以促进电化学反应及使气
在其中掺入Y2O3或者Er2O3,它就有可能在低温
体容易透过。
下形成稳定的结构。在较高的氧分压下,Bi2O3基
2.1Ni/YSZ金属陶瓷
陶瓷电解质出现的最主要问题是Bi3+离子被还
目前广泛使用的SOFC阳极材料主要是Ni/
原成金属Bi,这极大地破坏了电解质材料的性
YSZ[6]。在这种阳极材料中,YSZ陶瓷材料主要起
能。稳定化的Bi