1。1。2  SOFC现状以及发展趋势

SOFC的独特性能使它在固定发电站发电、小型家用热电连供、交通辅助电源等领域有着广泛的应用前景，尤其是作为分散的小型电站，引起各国政府、投资者的广泛兴趣。

SOFC虽自提出以来，已取得了较大的发展，但距离实用化尚有一定差距。传统的SOFC以钇稳定氧化锆（YSZ）为电解质材料，利用压片、流延等成型工艺制成样片后，在高温（1500-1600℃）下烧结得到致密体，采用丝网印刷法在电解质样片制备多孔的阳极（Ni-YSZ）和多孔阴极（La0。8Sr0。2MnO3），经烧结后构成单电池，即电解质支撑型电池结构。这种结构的电池必须在高温（900-1000℃）下运行，使电池的组元材料的选择范围受到制约，制作成本高，电极易烧结，电池组分间易扩散和因热膨胀系数不匹配而产生热应力以及电池的功率密度低等，限制其产业化的发展。因此降低SOFC的操作温度，使其在中温（500-800℃）条件下运行，既可以保持SOFC在高温下运行的优点，又可以避免温度过高带来的种种问题，这是实现中温SOFC产业化的前提[16]-[22]。

在SOFC的电池电阻中，阴、阳极材料具有较高的电子导电率，约为YSZ电导率的几十倍至几百倍，因而电解质不同的电阻成为SOFC的主要电阻来源。鉴于电池电阻的分布，降低SOFC的操作温度主要通过以下两个途径实现：寻求具有更高离子导电率的电解质材料，近几年研究较为集中的中温电解质材料有两类，一为具有萤石结构的掺杂氧化铈（Doped Ceria，DCO），二是具有钙钛矿结构的掺杂镓酸镧（Doped LaGaO3），两者在中温下的电导率均比YSZ高出几倍；实现YSZ电解质的薄膜化，把电解质厚底从传统的150-200μm降至10-50μm，以降低电池电阻，提高电池输出功率，这也是实现电池中温化最有力的手段[23]。

1。2 电解质薄膜

1。2。1 固体电解质材料结构

（1） 萤石型电解质

萤石结构是典型的，具有O2-导电性的晶体结构，如图1。2所示。阳离子位于O2-构成的简单立方点阵的中心，结构中含有大量的八面体空位，使O2-的快速输运成为可能。当萤石结构中的阳离子被较低价态离子取代时，会产生大量的O2-空位，有利于O2-的传输，进而提高O2-的电导率。萤石型电解质主要包括ZrO2基、CeO2基及Bi2O3基等3类[24]。论文网

  萤石型结构示意图

CeO2基电解质：纯 CeO2 属于立方萤石型结构，为 N 型半导体，由于离子电导率很小 ，不适合做电解质，但是当向 CeO2 中掺杂少量二价碱土氧化物RO或者三价稀土氧化物 Ln2O3 后，会生成具有一定浓度氧空位的萤石型固溶体，使其离子电导率大大增加[25]。 Gd、Sm和Y等掺杂CeO2（简写GDC、SDC、YDC）作为一种氧离子导体因其具有良好的导电性能而成为中温固体氧化物燃料电池研究的热点。然而，目前其最大的问题是在低氧分压气氛中部分Ce4+ 被还原成Ce3+，在体系中引入电子电导而导致电池的开路电压（OCV）和输出功率降低。单掺杂（如Gd、Sm和Y等）CeO2的电导率和电子电导由于受到材料本结构和性能的限制很难进一步改善，而最近报道的双掺杂和复相电解质（异相掺杂）可以大幅提升CeO2基电解质材料的性能[26],[27]。

ZrO2基电解质：ZrO2基氧化物价格相对低廉，是目前高温SOFC使用最广泛的固体电解质材料。在实际应用中大多是某种金属氧化物（稳定剂）掺杂的稳定化ZrO2。通常离子电导率随稳定剂含量的增加而先增大后减小。另外，一般稳定剂的阳离子半径和Zr4+ 的半径越接近，电解质的电导率越大。Sc3+ 和Zr4+ 离子半径接近，因此Sc2O3掺杂ZrO2固溶体电解质（Sc-SZ）的离子导电率最高。但Sc2O3价格昂贵，ScSZ粉体不好制备并且不易烧结，因此，ScSZ体系电解质不适合大量生产[28]。