固体氧化物燃料电池（SOFC）的基本组成

单体燃料电池的主要组成部分有电解质（electrolyte）、阳极（anode）、阴极（cathode）和连接体（interconnect）或电极分离器（bipolar separator），如图1.5 所示。

组成燃料电池的各组元材料在氧化和（或）还原气氛中要有较好的稳定性，包括化学稳定、晶型稳定和外形尺寸的稳定等；彼此间的化学相容性；合适的电导性和相近的热膨胀系数。同时要求电解质和连接体是完全致密的，以防止燃料气和氧气的渗透混合；阳极和阴极应是多孔的，以利于气体渗透到反应位置。燃料电池各组成材料的具体要求见表1.６。

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一、电解质材料

SOFC 中电解质是电池的核心，一般采用氧化物陶瓷制作，即烧结固熔体电解质 —— 完全稳定化的ZrO２。电解质的性能直接决定着电池的工作温度和性能。

纯的 ZrO2 在1000 ℃ 的电阻率为 107 Ω／cm，接近于绝缘物质。目前大量应用于 SOFC 的以 ZrO２为基的固体电解质，利用在 ZrO２中掺入某些二价或三价氧化物，使 Zr^(4+)的位置被低价的金属离子置换，结果不仅使 ZrO２（萤石结构）从室温到高温（1000℃ ）都有稳定的相结构，而且由于电荷补偿作用使其中产生了更多的O^(2-) 空位，从而增加了 ZrO２的离子电导率，使其电导率达到 10^(-2）S／cm ，同时扩展了离子导电的氧分压范围。在这种稳定化 ZrO２中，以 O^(2-) 空位作为媒介，即利用空位机理，表现出 O ^(2-) 导电性。

目前用作电解质较为常见的材料为Y2O3稳定 ZrO2 （简称 YSZ），它的离子电导率在氧分压变化十几个数量级时，都不发生明显的变化。目前，如何制备性能合适的 YSZ 薄膜是人们研究的热点和难点。

二、阳极材料

SOFC 的电极材料首先是一种催化剂，对阳极材料要求电子电导率高，在还原气氛中稳定并保持良好的透气性，因而通常采用铂，但铂价格昂贵。用镍、钴等金属材料会存在热膨胀不匹配和附着问题，长期的高温工作还会降低其空隙率。目前研究的方向是以金属陶瓷作为阳极材料，比较理想的是 Ni 复合的 YSZ 。研究合理的工艺，制备性能适合的 Ni-YSZ 复合材料是主要任务。

三、阴极材料

SOFC 的阴极与阳极相似，也应是多孔的电子导电薄膜。由于电池的阴极在高温氧化气氛环境工作，起传递电子和透过氧的作用，因此对阴极材料的要求比较苛刻。阴极材料应具有高的电导率、高温抗氧化性以及高温热稳定性，并且不与电解质起化学反应等特点。传统的材料为金属铂，近期发展的是掺杂氧化物陶瓷 ——— LaMnO３。作为 SOFC 的阴极材料，大量的实验证明，La１-xSr xMnO３是首选的阴极材料。

四、连接体材料

电解质和电极材料一起组成三合一形式的单体电池单元，单体电池的功率是有限的，只能产生１V 左右的电压，为了获取大功率的电池组，必须将若干个单电池以各种方式（串联、并联、混联）连接在一起，这就需要连接体材料和封接材料。在 SOFC 中，要求连接体组元在高温下具有良好的电子导电性和稳定性。目前只有很少几种氧化物能够满足用作 SOFC 连接体材料，如钙钛矿结构的铬酸镧（LaCrO３）。高温合金材料用作 SOFC 连接体材料也是研究热点。

五、封接材料及其他

封接材料用于将电解质材料和连接体材料连接在一起，要求能耐高温，电池反应温度（700~1000 ℃ ）下，一般多用玻璃陶瓷混熔制备。此外，还需要其他附属材料，如用刚玉管作为氧气体室；用石英管作为燃料气体室，它们都带有进气口和出气口，均需密封连接。

六、单体电池组装

大规模的 SOFC 是由单体电池通过各种结构堆叠而成的电池组，目前主要发展了管式、串接式、基块式、平板式等四种结构的电池组。在实际应用中，根据要求，把单个燃料电池串联和（或）并联在一起，形成电池组，以满足特定的应用。

图 1.５所示的单体燃料电池中，其阳极、电解质、阴极组成了三合一复合结构，在实际研究和加工制作中，形成了四种不同的结构类型：管式设计（seal less tubular design）、串接式设计（segmented-cell-in-series design）、基块式设计（monolithic design）、平板式设计（flat-plate design），其结构示意图见图 1.６。

来源：《固体氧化物燃料电池材料及制备》韩敏芳彭苏萍著

原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：固体氧化物燃料电池（SOFC）的基本组成

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