陶瓷材料在固体氧化物燃料电池中的应用

摘要：本文综述了近年来用于固体氧化物燃料电池

(Solid oxide fuel cells，SOFC)的面心立

方萤石型、立方钙钛矿型电解质材料在国内外的研究进展情况，并简要介绍了

SOFC电解质

薄膜制备工艺的研究情况，最后对电解质材料中低温化的发展趋势进行了展望。
关键词：固体氧化物燃料电池

SOFC；电解质；薄膜工艺

一、引言

固体氧化物燃料电池

SOFC 与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池，简称 PAFC)、第二代

燃料电池

(熔融碳酸盐燃料电池，简称 MCFC)相比它有如下优点：(1)较高的电流密度和功

率密度；

(2)阳、阴极极化可忽略，极化损失集中在电解质内阻降；(3)可直接使用氢气、烃类

(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；(4)避免了中、低温燃料电池的酸碱电
解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；

(5)能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，

能量利用率高达

80％左右，是一种清洁高效的能源系统；(6)广泛采用陶瓷材料作电解质、

阴极和阳极，具有全固态结构；

(7)陶瓷电解质要求中、高温运行(600～1000

℃)，加快了电

池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。

固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染

等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在
大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力
电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

二、

SOFC 结构组成

固 体 氧 化 物 燃 料 电 池 单 体 主 要 组 成 部 分 由 电 解 质

(electrolyte) 、 阳 极 或 燃 料 极

(anode，fuel electrode)、阴极或空气极(cathode，air electrode)和连接体(interconnect)或
双极板

(bipolar separator)组成。

根据电解质导电类型的不同，

SOFC 可以分为两类：氧离子导电和质子导电电解质燃

料电池，它们可以分别看成氧浓差电池和氢浓差电池。两者主要不同在于燃料电池生成的水
在哪一面，质子导体燃料电池中，水在氧化剂电极形成，而在氧离子导体燃料电池中，水
在燃料电极形成。另外，质子型导电电解质燃料电池只能用氢气做原料，但氧离子导电燃料
电池还可以用其它如一氧化碳、甲烷等做燃料。目前，对于质子型导电电解质燃料电池的研
究还局限于基础材料、电导机理等方面的实验室研究，而对于

SOFC，广泛发展的仍是氧离

子导电的燃料电池，所以指的是

SOFC 均指氧离子导电型燃料电池。大规模的 SOFC 是由单

体电池通过各种结构堆叠而成的电池组，目前主要发展了管式、串接式、基块式、平板式等四
种结构的电池组。研究和应用最多的还是管式和平板型。管状结构

SOFC 目前较成熟的一种，

单电池已经运行了数万小时，性能优良并且稳定。管状结构优点在于其单体电池自由度大，
不易开裂；采用多孔陶瓷作为支撑体，结构坚固；不用高温密封，容易连接。但是内阻损失
大，制作成本难于降低。平板式

SOFC，电流收集均匀，流经路径短，输出功率较管式高。

存在的主要缺点是密封困难，抗热循环性能差及难以组装成大功率的电池组。
　　固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的

“逆”

装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极
为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，
其阳极即电源负极，阴极为电源正极。