钆掺杂氧化铈薄膜制备工艺的研究(3)

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SOFC主要是由电解质（稳定化的固态氧化物）、阴极或空气极、阳极或燃料极和连接材料组成得`751^文*论[文]网www.751com.cn。电解质是SOFC的核心部件，其离子电导率的大小直接决定着SOFC的电性能。下图1.1是SOFC的工作原理示意图，其电解质是氧离子导体。中间的致密电解质是起传递O2-、分离空气和燃料的作用。氧分子在阴极（空气电极）上得到电子被还原成氧负离子，在电场的作用下，氧负离子从电解质的氧空位跃迁到阳极（燃料电极）上，然后与燃料（CH4、H2、煤气等）进行反应，失去电子，电子从阳极通过外电路回到阴极上，实现了对外供电的功能[4,5]。当燃料气体为H2时，电化学反应如下：

阴极：O2 +4e-→2O2-

阳极：O2--2e-+H2→H2O

总反应：H2+1/2O2→H2O

固体氧化物燃料电池工作原理图

1.2 SOFC的发展趋势

1.2.1 操作温度的中低温化

关于固体氧化物燃料电池电解质材料的研究，我们最早是从ZrO2基电解质材料开始。经过研究，人们发现纯的ZrO2离子导电率很低，于是在此基础上向ZrO2基体中引进某些金属氧化物，使其具有稳定的萤石结构。目前，Y2O3稳定化的ZrO2（简称YSZ）因其具有良好的综合性能论文网，被公认为是比较好的SOFC工业化材料。但由于传统的SOFC操作温度一般在850℃～1000℃，如此高的操作温度对电极、电解质等材料性能都有非常苛刻的要求，同时也会带来很多难题，比如说不同的材料其热膨胀系数不同、电极会产生烧结现象、以及电极与电解质两界面发生反应等[6]，所以降低其工作温度已经成为国际上SOFC研发的一个必然的趋势。但是温度的降低会导致氧离子的传导速率急剧降低，从而导致电池的发电效率也大大降低。为了解决此问题，主要有两种途径：第一种是选择在中低温条件下具有高氧离子传导速率的新型电解质材料，第二种是用降低电解质薄膜的厚度,发展多孔电极支撑的薄膜化电解质制备技术来降低电池欧姆极化的方法，从而提高其电流密度和输出功率。

1.2.2 电池的构型

固体氧化物燃料电池通常有管状和平板型两种结构类型。

管状SOFC的结构如下图1.2所示。它是由一端封闭的单电池以串联和并联的方式组装而成的。每个单电池从里到外由多孔支撑管、锶掺杂的锰酸镧空气电极、固体电解质薄膜和Ni-YSZ金属陶瓷阳极组成[7]。管型SOFC的主要优点是：电池组装相对简单，不用考虑高温密封的问题，单元之间容易组合成大功率的电池系统。但是其工艺较复杂，一般需要用电化学沉积法（EVD）来制备双极链接膜和电解质膜，原料利用率不高且设备费用昂贵[8]。