中低温固体氧化物燃料电池电解质薄膜的制备与性能研究(3)

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此外，在制作电解质时还应考虑材料本身的强度等力学性能，电解质的加工工艺以及生产成本等。近年来，研究比较多的中温SOFC电解质材料主要是ZrO2基、CeO2基、Bi2O3基和ABO3钙钛矿类四种典型的电解质材料。

(2) 阴极材料

阴极必须同时具有氧离子、电子和气体的传输能力。事实上，氧还原反应发生在气体、电子和氧空位（氧离子）能够同时到达的三相界面。阴极的电子电导率越高，电子传输过程中的欧姆损失就越低[9]。

(3) 阳极材料

SOFCs的阳极材料必须具备下列条件：

(a) 有足够高的电子电导率和离子电导率；

(b) 在还原气氛中可长时间工作，可保持尺寸和微结构稳定，无破坏性相变，耐H2O，CO2的腐蚀和抗硫中毒；

(d) 有足够的孔隙率，为燃料向阳极表面反应活性位的扩散以及阳极反应产物扩散离开电极表面并排出提供条件；

(e) 对阳极的电化学反应有良好的催化活性；

(f) 与相邻部件无反应，无明显扩散；

不同的电解质材料需要发展不同的阳极材料与之配合[10]。

(4) 连接材料

连接材料起着连接不同单电池的阴、阳极构成SOFCS电池堆的作用，因此要求其具有纯的、高的电子电导率，并且在氧化、还原气氛下稳定，与电池组件的热膨胀系数匹配等[12]。

(5) 密封材料

密封材料在SOFC中起到的作用有防止燃料气体和氧化剂互相混合，以及防止气体泄漏。在某些电池设计中，它还起到一定的联接作用。

1.2 电解质薄膜制备技术

电解质的薄膜化是SOFC中低温化的重要途径之一。目前，制备致密的电解质层已成为中低温SOFC研究的重点与难点。对于SOFC电解质薄膜层的制备，目前国内外已有多种技术的研究报道。这些方法按原理可分为3类：化学法（化学气相沉积法，物理气相沉积法，溶胶凝胶法等），物理法（等离子喷涂法，脉冲激光沉积法等）和液相法（电泳沉积法，丝网印刷法等）[11]。

1.2.1 化学气相沉积

化学气相沉积(CVD)[12-13]是一种分子级的薄膜制备过程，它利用气态物质在固体衬底表面发生反应生成固体沉积物，是制备无机非金属薄膜材料的常用技术。其过程是含薄膜组分前驱物(金属氯化物、金属醇盐或β-二酮金属化合物)以气体形式输送到衬垫表面，气体在衬垫表面吸附、发生化学反应生成固态物质。根据前驱物不同的蒸发温度和衬底的不同温度，薄膜生长速率在1～10μm/h 之间不等。CVD技术的优点是所制的膜均匀且可以重复，薄膜的生长速率可控，对衬底形状没有特殊要求。缺点在于原料价格昂贵，反应温度高，膜生长速率较低。

1.2.2 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法[14-15]是指用可供电解质薄膜组分的金属有机或无机化合物作为前驱物，按比例溶于水中，加入络合物，变成溶胶(Sol)，将溶胶缓慢干燥，形成不透明的凝胶(Gel)，将凝胶粉碎，形成干凝胶粉末。涂胶时，将干凝胶粉末溶于水中，同时加入部分有机粘合剂，形成均匀分布、粘度适宜的涂膜液。利用浸渍涂敷和旋转涂覆将涂膜液均匀涂在阴极或阳极的衬底上，干燥，预烧，反复涂敷，达到要求的厚度。最后进行凝胶焦化、烧结，排除其中的有机物，形成目标薄膜。在制备薄膜过程中要注意控制溶胶的粘度、涂敷时的转速、转时、涂敷次数和最终厚度，烘干预烧过程中的温度和升温速率，确保薄膜均匀一致，不开裂变形。论文网