1.2 固体氧化物燃料电池

1.2.1 固体氧化物燃料电池的含义

当今第三代燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)[5]，是由全固体组成的固体化学反应堆，它能直接的把存在于燃料和氧化剂的能量在中高温下转变成电能。客观以为，燃料电池在将来和质子互换膜燃料电池(PEMFC)在各个领域都具有不可或缺的地位。

1.2.2 固体氧化物燃料电池的原理

和普通的燃料电池一样，SOFC同样是把反应物中所具有的能量转化为电能的一类装置[6-9]；但它的工作温度较高，在800—1000℃，它的组成和普通的电池是一样的，由正

图1 氧离子电导燃料电池电化学反应过程示意图

极、负极和正负极之间的电解质所构成，在阴极一侧通入氧气和空气，因阴极材料具有多孔结构，其表面吸附氧，将氧气变成氧负离子；在阳极一侧通入可燃性气体，比如甲烷、煤气、氢气等，阳极的表面可吸附可燃气体，并由细微的孔状结构的阳极扩散都电解质与阳极相邻的界面；在电池的电压下，氧负离子起离子导体作用，由体系中浓度差异引起扩散，抵达阳极与电解质的界面，与燃料反应，丢掉电子由外部电路回到阴极。其过程如图1。

1.2.3 固体氧化物燃料电池特点

当今，第三代燃料电池SOFC，它不同于第一、二代燃料电池。它的优点如下:1）功率密度和电流密度较高;2）可忽略阳离子和阴极的极化，损失浓度集中在电解液内阻;3）贵金属价格昂贵，在反应中做催化剂比较浪费，直接用清洁能源（氢气、碳氢化合物或甲醇等）来做燃料，清洁且节约能源；4）中低温环境工作时，避免了封接和侵蚀问题；5）输出高质量的余热，实现热电联产，提高能源的利用率，为一种洁净、高效的能源系统。6）采用陶瓷材料[10]制备阳极、阴极和电解质；7）工作温度在中高温(600～1000℃)运行，促进反应进行，实现内部还原，设备得到了简化。

除以上优点，它还具有其他优点：燃料的较强适应性；没有必要使用昂贵的金属来做催化剂；积木性强，规模和安装位置灵活等。这些特性一个周期内允许整个燃料发电功率超过60%,一般来说,系统利用效率可达85%,功率密度为1 Mw/M3,可以设计3 MV/M3的块状结构。实际上，SOFC在许多领域都有涉及，比如运输、航空、发电、热电回收等，它被称为21世纪的新能源之一。

1.3 固体电解质

1.3.1 固体电解质的含义

在冶金方面具有离子导电性的固态物质[11]。这类物质或本身结构中有形貌缺陷或内部形貌具有特殊结构而为离子提供迁移的渠道，在特定温度下，具备很好的电导率（1～10-6 S/cm）。目前，发现几十种这类电解质，例如ZrO2、Bi2O3、CeO2等离子导体。

1.3.2 固体电解质介绍

（1）ZrO2基固体电解质

ZrO2电解质材料出现的最早[12]。它的稳定性很好，特别是Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）,具备优良的离子导电性和在氧化还原反应内具有很好的稳定性，它被认为是最佳电解质材料之一，但近期的文献报道，ZrO2出现了掺杂改性问题。常温下ZrO2属单斜晶系(a= 0.512 nm, b= 0.517 nm, c= 0.529 nm ,β=99 o11 ′),高温1100度下，单斜晶结构转变为四方晶体；更高的温度2370 ℃又转成立方萤石结构；发生相变引起体积变化，最终电解质裂开，电池寿命下降。

（2） Bi2O3基电解质材料

Bi2O3电解质在低温下具备优良的离子电导；500 ℃时，电导率便可以达到10-2 S/cm,是当前最好的氧离子导体之一，并且它的制备温度低，容易烧结成致密陶瓷[13]，对制作燃料电池和减小内阻消耗都具有很好的帮助。但在常温下是单斜晶体，在730 ℃易发生相变为立方萤石结构，它需要M2+、M3+的金属离子来进行帮它稳定，在低氧分压范围内由Bi3+变成单质Bi，导致它在SOFC应用中受限。