1.3.3 SOFC 的发展趋势

根据 SOFC 的工作原理，只要能被 O2 氧化的气体都可用作燃料。因此，SOFC 最 主要的优点之一就是燃料可以是更容易得到的碳氢气体。而碳氢气体的直接应用面临的 最大问题是容易在阳极上积碳，因此有必要搞清楚碳氢气体燃料在操作条件下的平衡组 分，优化操作条件和阳极微观结构，抑制碳的沉积。有研究表明：一般碳氢气体燃料体 系中的平衡组分其含量只与 C、H、O 的比例有关[16]。

因为受固体电解质氧离子传导率的影响，最初研究的 SOFC 的工作温度很高，一般 在 1000℃左右。高温操作具有固体电解质氧离子传导率高，极化损失少等独特的优点， 但高温也会使 SOFC 性能下降，如新绝缘相生成，电池组成材料的缓慢分解及相间扩散 等等，所有这些问题最终都将造成电池部件失效从而减少电池寿命[17]。所以，现在的研 究热点就是如何降低 SOFC 的操作温度，使其稳定在 500～800℃。这样可以减缓电池 组成材料间的相互反应，避免电池材料微观结构的退化，最终推进 SOFC 的产业化发展。 然而，随着操作温度的降低也会带来一系列的问题，电解质电阻和电极极化电阻将会增 加。相较于阳极材料，阴极材料对温度的反应更敏感，受操作温度降低的影响更大[18-20]。 本课题就当前中温固体氧化物燃料电池阴极材料存在的问题，主要研究在中温范围内具 有高催化活性的新型阴极材料 LaNi0.6Fe0.4O3，并利用合成工艺改善其微观结构。

1.4 SOFC 的阴极材料分类及其发展现状

1.4.1 SOFC 阴极材料的分类

阴极材料根据其电学性质可分为三类：第一类是以电子导体为主的单相电子导电 材料，制成的阴极为电子导体阴极；第二类是以电子导体和离子导体单相混合制成的电 子-离子混合导体材料，制成的阴极为混合导体阴极；第三类是电子导体和离子导体的 复合材料，制成的阴极为电子-离子型符合阴极。下面主要介绍本论文研究的钙钛矿型 阴极材料。其他详细的阴极材料介绍参见文献[21].

钙钛矿结构氧化物具有阴极所需的性能，是目前应用较多的阴极材料。图 1.2 所示 为理想钙钛矿型阴极材料[19]。钙钛矿结构是常见的三元氧化物，理论化学式是 ABO3， 半径较大的阳离子 A、和氧离子组成面心立方晶格，半径较小的阳离子 B 占据了氧八面 体的中心。由晶胞的几何关系可知，三种离子之间存在一定的关系：

rA rB  t

（2  rB  rO）

（1.4）

式中，rA、rB 和 rO 分别代表 A、B 和 O 的离子半径，t 为容限因子。t 值在 0.77～1.1

之间时为钙钛矿结构，t=1 时为理想钙钛矿 。t>1 时，就会变成其他结构类型。

图 1.2 理想钙钛矿结构

在 ABO3 型钙钛矿结构氧化物阴极材料中，A 位通常为 La、Pr、Sm 等 Ln 系金属 离子；B 位为 Mn、Co、Fe 等过渡族金属离子，过渡族金属离子具有可变的外轨道电子， 是主要的活性成分。

康振晋等[22,23]认为：钙钛矿结构 ABO

型氧化物中，用低价元素对 A 位进行掺杂，

会引起材料内部电荷的不平衡，为补偿电荷不平衡这一情况，在材料内部会出现氧离子 缺陷（即氧空位），或 B 位离子变价。对于钙钛矿混合导体而言，提高氧离子电导率是 降低阴极极化的关键。