固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展 *

尚凤杰，李沁兰，石永敬，刘海定，Shigeng Song

(1. 重庆科技学院 冶金与材料工程学院，重庆 401331； 2. 重庆材料研究院有限公司，重庆 401331；3. Institute of Thin Films, Sensors and Imaging, School of Engineering and Computing,University of the West of Scotland, Paisley PA1 2BE, UK)

0 引 言

1 SOFC离子传输机制

SOFC主要由阴极、阳极和固体电解质三部分组成。在阴极上，氧分子解离吸附后得到电子被还原成氧离子，氧离子首先在阴极移动。SOFC中常用的LSCF钙钛矿氧化物阴极在中温时的电子电导率高达100 S·cm-1，而离子电导率却很低。过低的离子电导率将导致氧离子在阴极中的迁移速度跟不上对外放电的速度，从而导致阴极产生较大的极化电阻。为了降低阴极的极化电阻，最常用的方法是改变LSCF阴极的组成，如增加A位Sr的含量同时降低La的含量。为了保持电荷平衡，用+2价的Sr取代+3价的La时，会导致晶格氧缺失形成氧空位，从而增大氧离子电导率。在电解质中，氧离子在电位差和氧浓度的驱动下，通过电解质中的氧空位移动。因此，固体电解质中氧空位的多少对离子电导率至关重要。萤石结构氧化物是SOFC中重要的氧离子导体电解质。在萤石型氧化物中，氧离子传导被证实遵循氧空位扩散机制。其中氧空位是氧离子的电荷载体(载流子)，而氧化物的离子导电性由氧空位的浓度和迁移率决定。例如，YSZ是高温SOFC中常用的氧离子导体电解质[33-34]。8mol% Y2O3掺杂取代ZrO2时，在Y离子的第二邻位处形成3.7mol%的氧空位。当Y2O3掺杂含量进一步增加时，氧空位浓度也随着增加，而氧空位迁移率降低。即当Y2O3的掺杂量为8mol%时，上述两个参数之间达到平衡，实现最佳的离子传输。

氧离子在萤石结构和钙钛矿结构中的传导机制是氧空位传导，如图1所示。……