【《硅酸盐学报》创刊60周年专题】固体氧化物燃料电池中的陶瓷材料

韩敏芳，张永亮

(1. 清华大学热能工程系，电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100083；
2. 清华东莞创新中心，广东 东莞 523808)

摘  要：固体氧化物燃料电池(SOFC)也称为陶瓷燃料电池，其关键组成电解质、阴极和阳极均为陶瓷氧化物材料。致密电解质薄膜材料是核心，主要是(纯)氧离子导体，其电导率依赖于氧化物中的氧离子空位传导，氧空位主要来源于氧化物中低价金属离子掺杂；工业上主要使用萤石结构Y2O3掺杂的ZrO2(YSZ)和Sc2O3掺杂的ZrO2(ScSZ)，更高氧离子电导率的材料包括掺杂的CeO2、δ-Bi2O3和掺杂的LaGaO3钙钛矿材料，有望在中低温下使用。电极都是多孔陶瓷材料，同时具有氧离子传导和电子传导性能。工业上阳极主要采用Ni-YSZ多孔金属陶瓷，具有混合离子电子导电性(MIEC)的钙钛矿材料是现在的研究热点。工业上阴极材料主要是掺杂LaMnO3和YSZ复合陶瓷，在高温下具有良好的电化学性能和稳定性；中高温范围内被认可的材料是掺杂LaFeO3基钙钛矿材料，以La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ为代表，具有良好的电化学活性和稳定性；优化材料组分和结构仍然是阴极材料的研究重点，也是SOFC领域必须突破的重要方向。

关键词：固体氧化物燃料电池；氧离子导体；混合离子电子导体；金属陶瓷阳极；钙钛矿电极

中图分类号：O614    文献标志码：A    

文章编号：0454–5648(2017)11–1548–07

网络出版时间：2017–10–09  13:56:00         

网络出版地址：

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20171009.1356.012.html

收稿日期：2017–06–30。    
修订日期：2017–08–18。

基金项目：国家重大研发计划(2017YFB0601903)；
  北京市百名领军人才项目:
              (Z151100000315031)；
  山西省科技厅项目(MD2014-08)；
  东莞市引进创新科研团队:
        (201460720100025)；
  清华大学自主科研计划(2015THZ0)。

第一作者：韩敏芳(1967—)，女，博士，教授。

前言  燃料电池是一种将燃料化学能直接转化为电能的电化学能量转化装置，根据电解质中传导离子的不同可以分为多种类型。固体氧化物燃料电池(SOFC)以传导氧离子为主，工作温度最高(600 ℃~1 000 ℃)，可以实现的发电效率也最高(一次发电效率45%~ 60%)；既可以使用纯氢气，也可以直接使用含碳燃料，燃料适用范围广；不需要贵金属催化剂，成本低等特点，是目前最为前沿、也是技术难度最高的一代燃料电池[1–3]。SOFC按工作温度可划分为以下3类：当工作温度小于600 ℃时，称为低温SOFC；当工作温度在650~800 ℃时，称为中温SOFC；当工作温度大于800 ℃时，称为高温SOFC。SOFC的具体运行温度与其关键组成材料密切相关[4]。

    所有的燃料电池单电池都是由电解质、阴极和阳极3部分组成，其中SOFC的电解质、阴极和阳极都是陶瓷材料，因此SOFC又被称为陶瓷基燃料电池。目前SOFC有质子导体电解质[5]和氧离子导体电解质两种形式。本文主要针对高温及中温SOFC中氧离子传导电解质及电极中广泛研究的陶瓷材料进行综述。其中SOFC的电解质是致密的氧离子导体，主要是萤石型结构氧化物或钙钛矿结构氧化物[6–7]；电极是多孔的氧离子和电子混合导体，其中阳极主要是金属陶瓷复合材料或钙钛矿结构氧化物材料[8–9]，阴极主要是钙钛矿结构氧化物材料[10–11]。电解质材料的氧离子传导性能和电极的荷电传导及催化活性共同决定了SOFC的性能。

总结及展望  作为新一代电化学发电技术，SOFC在近30年来受到普遍关注和广泛研究。以YSZ为代表的一批陶瓷材料在工业上被广泛认可和应用，运行寿命已经达到数万小时(40 000~80 000 h)，在工程应用中需要进一步提高性能、可靠性，降低成本等。另一方面，作为所有工业发展基础的新材料体系仍然是研究热点，对SOFC实现中低温运行、延长寿命等都很重要，需要进一步开展基础研究工作。