钙钛矿型中温固体电解质的合成与性能(2)
1.1 SOFCs关键构件
中温SOFCs的工作温度应低于800℃，甚至低于750℃，电极催化剂可不依赖贵金属；可使用廉价的连接材料，且材料和材料之间的稳定性更好；发电效率高(60%～70%)；可热电联供，与蒸汽、燃气轮机等构成联合循环发电系统，进一步提高发电效率。
图1示出平面型SOFCs堆叠系统的示意图。为了获得高的效率，堆叠系统通过串联各单元进行构造。电池被串接的分离器执行送电并且起到分开燃料气体和空气的功能。为获得令人满意的电特性，电极材料的密集气孔的控制是获得燃料和空气流动的关键，因此，电解质和电极之间的接合是重要的。而且，电解质和分离器材料必须拥有足够的密度以防止2种气体混合。
SOFCs 的关键构件是电解质、阳极、阴极。图2示出SOFCs各构件的功能。各构件的功能各不相同，包传输、催化、结构和热力学特性。[2] 传统的SOFCs的电解质是8%(摩尔分数，下同)氧化钇稳定氧化锆(8% in mole Y2O3 stabilized ZrO2，
8YSZ)，其在1000℃左右才有可观的离子电导率(0.1S/cm)[3]。目前普遍使用的阳极材料是Ni+电解质，其电子和离子导电性能都较好，但仍存在电极烧结、阳极积碳、对含硫燃料容忍性差等问题[4]，[5]。因为阴极损耗控制和影响多种设计SOFC的性能，发展更好的SOFC阴极是一个非常活跃的研究题目。用于YSZ基电池的标准材料，YSZ和Sr掺杂LaMnO3(LSM)的复合物，是在性能、稳定性和便于制造之间妥协折衷的一个方案。LSM是一种良好的电子导体，有和YSZ相配的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，CTE)，但是它有非常低的离子导电率。在复合电极内，YSZ为电解质，连接电极并允许离子的传导。
传统阴极材料La1–xSrxMnO3 的理想工作温度约为1000℃，在中低温下的极化电阻迅速增加[6]，[7]。这些传统电池材料要求电池的工作温度都比较高。较高的操作温度会造成电池材料的选择范围窄，电极与电解质之间发生界面反应，电池密封困难等问题。降低SOFCs 操作温度的重要途径是开发在中低温范围内具有较高离子电导率的电解质和具有良好离子–电子混合电导性能、催化性能的电极材料以及电解质层薄膜化。开发研究所涉及的工作包括：关键构件的材料开发与研究包括关键构件的要求)，工艺研究和性能研究[8]。工艺研究和性能研究包括：粉体制备，电解质和电极的成型，电解质、阴极和阳极的沉积工艺；热动力研究，微观结构表征，力学和电性能研究；SOFCs模拟技术，规模化生产，成本和市场研究以及燃料的研究和选用。
图1.平面SOFC堆叠系统的示意图
展经图2.SOFCs各构件的结构、各部分功能和性质
1.2 钙钛矿型的固体氧化物电解质
钙钛矿具有ABO3通式，是可由多种离子构成的一类固态复合氧化物，有多种电导形式，从电子电导为主的(如：LaNiO3)，到几乎纯离子电导的(如：有掺杂的LaGaO3)。釆用低价阳离子在钙钛矿固态氧化物的A位或B 位掺杂替代，很容易产生氧空位，空位结构类似于高氧缺陷的钙铁石结构。图3示出LaGaO3中的氧空位和氧离子(O2–)电导[9]。钙钛矿和萤石型结构的氧化物电解质的氧离子电导性的比较见图7[10]。钙钛矿型结构的氧化物电解质的氧离子电导性见表1[11]。
图3. La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.1O2.9, Ba2In2O5, Ba2In1.75Ce0.25O5.125和YSZ的氧离子电导率
组成为La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85的一种Sr和Mg掺杂 LaGaO3(LSGM)在800℃的AC 电导率为0.10S/cm；La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O2.815的氧空位增加，AC电导率0.17S/cm。[12] LSGM 类氧离子导体，甚至是厚膜(>500μm)也有令人振奋的高功率密度为(550mW/cm2，800℃)[13]。LSGM类氧离子导体已成为低温SOFCs重要候选电解质材料。[14]
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