單體燃料電池的主要組成部分有電解質(electrolyte)、陽極(anode)、陰極(cathode)和連接體(interconnect)或電極分離器 (bipolar separator),如圖1.5 所示。
組成燃料電池的各組元材料在氧化和(或)還原氣氛中要有較好的穩定性,包括化學穩定、晶型穩定和外形尺寸的穩定等;彼此間的化學相容性;合適的電 導性和相近的熱膨脹系數。同時要求電解質和連接體是完全致密的,以防止燃料氣和氧氣的滲透混合;陽極和陰極應是多孔的 ,以利于氣體滲透到反應位置 。燃料電池各組成材料的具體要求見表1.6 。
一 、電解質材料 SOFC 中電解質是電池的核心 ,一般采用氧化物陶瓷制作 ,即燒結固熔體電解 質 ——完全穩定化的ZrO2。電解質的性能直接決定著電池的工作溫度和性能 。純的 ZrO2 在1000 ℃ 的電阻率為 107 Ω/cm,接近于絕緣物質 。目前大量應用于 SOFC 的以 ZrO2 為基的固體電解質 ,利用在 ZrO2 中摻入某些二價或三價氧化物 , 使 Zr^(4+)的位置被低價的金屬離子置換 ,結果不僅使 ZrO2 (螢石結構)從室溫到高溫(1000℃ )都有穩定的相結構 ,而且由于電荷補償作用使其中產生了更多的O^(2-) 空 位 ,從而增加了 ZrO2 的離子電導率 ,使其電導率達到 10^(-2)S/cm ,同時擴展了離子 導電的氧分壓范圍 。在這種穩定化 ZrO2 中 ,以 O^(2-)空位作為媒介 ,即利用空位機 理 ,表現出 O ^(2-)導電性 。目前用作電解質較為常見的材料為Y2O3穩定 ZrO2 (簡稱 YSZ) ,它的離子電導率在氧分壓變化十幾個數量級時 ,不發生明顯的變化 。目 前 ,如何制備性能合適的 YSZ 薄膜是人們研究的熱點和難點 。 二 、陽極材料SOFC 的電極材料首先是一種催化劑 ,對陽極材料要求電子電導率高 ,在還原 氣氛中穩定并保持良好的透氣性 ,因而通常采用鉑 ,但鉑價格昂貴 。用鎳 、鈷等金 屬材料會存在熱膨脹不匹配和附著問題 ,長期的高溫工作還會降低其空隙率 。目 前研究的方向是以金屬陶瓷作為陽極材料 ,比較理想的是 Ni 復合的 YSZ 。研究合理的工藝 ,制備性能適合的 Ni-YSZ 復合材料是主要任務 。
三 、陰極材料SOFC 的陰極與陽極相似 ,也應是多孔的電子導電薄膜 。由于電池的陰極在 高溫氧化氣氛環境工作 ,起傳遞電子和透過氧的作用 ,因此對陰極材料的要求比較 苛刻 。陰極材料應具有高的電導率 、高溫抗氧化性以及高溫熱穩定性 ,并且不與電 解質起化學反應等特點。傳統的材料為金屬鉑 ,近期發展的是摻雜氧化物陶瓷 ——— LaMnO3 。作為 SOFC 的陰極材料 ,大量的實驗證明 ,La1-xSr xMnO3 是首選的陰極材料。 四 、連接體材料 電解質和電極材料一起組成三合一形式的單體電池單元 ,單體電池的功率是 有限的 ,只能產生 1V 左右的電壓 ,為了獲取大功率的電池組 ,必須將若干個單電 池以各種方式(串聯 、并聯 、混聯)連接在一起 ,這就需要連接體材料和封接材料 。在 SOFC 中 ,要求連接體組元在高溫下具有良好的電子導電性和穩定性 。目前只 有很少幾種氧化物能夠滿足用作 SOFC 連接體材料 ,如鈣鈦礦結構的鉻酸鑭 (LaCrO3 ) 。高溫合金材料用作 SOFC 連接體材料也是研究熱點 。 五 、封接材料及其他 封接材料用于將電解質材料和連接體材料連接在一起 ,要求能耐高溫 ,電池反應溫度(700~1000 ℃ )下 ,一般多用玻璃陶瓷混熔制備。此外 ,還需要其他附屬材料 ,如用剛玉管作為氧氣體室 ;用石英管作為燃料氣體室 ,它們都帶有進氣口和出氣口 ,均需密封連接 。六 、單體電池組裝大規模的 SOFC 是由單體電池通過各種結構堆疊而成的電池組 ,目前主要發 展了管式、串接式、基塊式、平板式等四種結構的電池組。在實際應用中 ,根據要求 ,把單個燃料電池串聯和(或)并聯在一起 ,形成電池組 ,以滿足特定的應用 。圖 1.5 所示的單體燃料電池中 ,其陽極 、電解質 、陰極組成了三合一復合結構 , 在實際研究和加工制作中 ,形成了四種不同的結構類型:管式設計(seal less tubular design) 、串接式設計(segmented-cell-in-series design) 、基塊式設計(monolithic design) 、平板式設計(flat-plate design) ,其結構示意圖見圖 1.6。來源:《固體氧化物燃料電池材料及制備》韓敏芳 彭蘇萍 著
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