1.1  SOFC概述

燃料电池(Fuel Cells)是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的电化学装置，因而具有更高的利用率和更低的污染排放，它的工作原理如图1.1所示。根据所使用电解质性质的不同，燃料电池通常分为五大类，即碱性燃料电池(AFc)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(McFc)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。这五类燃料电池各自处于不同的发展阶段[2]。目前，燃料电池的研究重点为PEMFC和SOFC，并向商业化推广。

图1.1  燃料电池原理示意图

1.1.1  SOFC发展现状

固体氧化物燃料电池SOFC作为一种全固态高效清洁环境友好的能源转换装置其广阔的应用前景正得到人们的高度关注，被誉为21世纪最重要的绿色能源技术之一，然而固体氧化物燃料电池(SOFC)使用的传统电解质为Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)，YSZ电解质离子电导率较低，需要在900℃～1000℃高温下运行，由此带来界面反应、电极烧结、热膨胀系数不匹配等一系列问题。如果降低燃料电池的运行温度到800℃以下，则可以避免电池在高温下操作带来的一系列问题。降低操作温度有利于提高电池材料的化学和热性能稳定性，可以使用合金作为连接材料，使高温密封问题容易解决，降低成本，提高电池的稳定性和使用寿命等。因此，开发中低温SOFC已成为商业化发展的必然趋势[3-4]。

1.1.2  SOFC发展的关键技术

提高电解质材料在中低温下的电导率对其发展有重要意义，一方面，致力于新材料的开发和选择，另一方面是已研究电解质材料性能的优化。中低温SOFC的发展不仅要依赖于具有高电导率的电解质材料和高催化活性的电极材料，还要借助于电解质的薄膜化来实现[5-7]。大大降低的厚度能很大程度减少电解质电阻，提高离子在电解质中的运输能力，从而提高其离子电导率和电池的发电功率，进而降低电池的工作温度，丰富电池电极和封装材料的选择，缩短电池的启动时间，延长电池的使用寿命，加快燃料电池商业化步伐，更好地解决能源和环境问题。

1.1.3  SOFC关键材料的介绍

    SOFC的关键材料包括组成单电池的电解质、阴极和阳极材料，将单电池组装成电池堆的连接材料和密封材料，其中电解质最主要的功能是传导离子或质子，电极的主要功能是传导电子，并提供电化学反应场所，连接材料主要是用来链接阴阳极，并构成电池堆。

(1)  电解质材料

固体电解质是电池最核心的部件，一般用氧化物陶瓷制作，它的性能（电导率、稳定性、热膨胀系数、致密化温度等）不但直接影响电池的工作温度及转化效率，还决定了所需要的与之相匹配的电极材料及其制备技术的选择[8]。电解质材料要求如下：

(a)  稳定性  在燃料的还原和氧化环境中以及工作温度下，电解质材料必须具有持续的化学稳定性、相稳定、晶型稳定以及尺寸稳定。

(b)  电导性  在氧化和还原气氛中，电解质材料应该有足够高的离子电导率和低得可以忽略的电子电导率。

(c)  相容性  在工作温度和工作时间内，电解质和相邻组元不能发生化学反应，也不能发生内部扩散。

(d)  多孔性  电解质应该是完全致密的，不能发生漏气现象。

(e)  热膨胀性  在室温及工作温度范围内，电解质材料和相邻组元应有相匹配的热膨胀系数，以避免由于温度变化变形不匹配而引起的开裂和脱落现象，降低电池的使用寿命。