1。3  SOFC电池的电解质材料

固体氧化物电解池（SOFC）是一种固体氧化物燃料电池，其以再生方式运行以实现水的电解，并且使用固体氧化物或陶瓷电解质来生产氧气和氢气[5]。纯氢的生产是引人注目的，因为它是能够容易储存的清洁燃料，因此使其成为具有低储存能力并产生大量废料的电池的潜在替代品[6]。与热化学和光催化方法相比，电解是目前最有希望的从氢产生的方法，因为转化效率高，所需能量输入相对较低。

电解池的一般功能是将蒸汽形式的水分解成纯H2和O2。将蒸汽送入多孔阴极。当施加电压时，蒸汽移动到阴极电解质界面并被还原以形成纯的H 2和氧离子。然后氢气通过阴极扩散回来，并在其表面作为氢燃料收集，同时氧离子通过致密电解质传导。电解液必须足够密实，使得蒸汽和氢气不能扩散通过并导致H2和O2-的复合[7]。在电解质阳极界面处，氧离子被氧化形成纯氧气，它被收集在阳极的表面。

固体氧化物电解槽遵循与由燃料电极（阴极），氧电极（阳极）和固体氧化物电解质组成的固体氧化物燃料电池相同的结构。

最常见的电解质，再次类似于固体氧化物燃料电池，是由掺杂有8％Y 2O 3（也称为YSZ）的ZrO2组成的致密离子导体。由于其高强度，高熔点温度（约2700℃）和优异的耐腐蚀性，因此使用氧化锆二氧化物。加入Y2O3以缓解在快速冷却下从四方晶相到单斜相的相变，这可能导致裂纹，并通过引起散射降低电解质的导电性能[8]。SOEC的一些其他常见选择是Scandia稳定氧化锆（ScSZ），基于二氧化铈的电解质或没有没食子酸镧的材料。尽管与固体氧化物燃料电池的材料相似，但操作条件不同，导致诸如燃料电极处的高蒸汽浓度和电解质/氧电极界面处的高氧分压的问题[9]。最近的一项研究发现，在电解槽和燃料电池模式之间周期性循环电池减少了氧气分压，并大大增加了电解池电池的使用寿命。

固体氧化物再生燃料电池的优点包括高效率，因为它们不受卡诺效率的限制。原则上，由于化学反应固有的可逆性，任何燃料电池的过程都可以逆转[10]。然而，给定的燃料电池通常被优化以在一种模式中操作，并且可以不以相反的方式构建。向后操作的燃料电池可能不能制造非常有效的系统，除非它们被构造成这样，例如在固体氧化物电解槽，高压电解槽，单元再生燃料电池和再生燃料电池的情况下。然而，目前正在进行研究以研究固体氧化物电池可以有效地沿任一方向运行的系统。

1。3。1  氧化铈基电解质

氧化铈也称为氧化铈，二氧化铈，二氧化铈，氧化铈或二氧化铈，是稀土金属铈的氧化物。它是具有化学式CeO2的浅黄白色粉末[11]。它是从矿石中净化元素的重要商业产品和中间体。这种材料的独特性质是其可逆转化为非化学计量的氧化物。如图1。1。在高温下，它会释放氧气，从而产生非化学计量的阴离子缺陷形式，保留萤石晶格。该材料具有式CeO（2-x），其中x的值取决于温度和氧气分压。已经显示出在宽范围的氧分压（103×10-4Pa）和温度（1000-1900℃）下预测平衡非化学计量学{x}x。

非化学计量形式具有蓝色至黑色，并且在500℃以上的温度下，离子和离子电离都显示出最显着的特性。

通过使用X射线光电子能谱法来测量氧空位的数量，以比较Ce3+至Ce4+的比例。

图1。1  萤石结构氧化物（AO2）

Fig。 1。1  Oxid with fluorite structure（AO2）

在二氧化铈最稳定的萤石相中，根据氧的分压或材料的应力状态，其表现出若干缺陷关键的主要缺点是氧空位和小极化子（电子定位在铈阳离子上）。氧离子数量的增加会增加晶格中氧化物的扩散速率，这反映在离子电导率的增加中。这些因素将二氧化铈作为固体氧化物燃料电池中的固体电解质。 由于铈离子的还原导致小极化子的形成，未掺杂和掺杂的二氧化铈在低的氧分压下也表现出高电子导电性。由于二氧化铈晶体中的氧原子发生在平面上，所以这些阴离子的扩散是容易的。随着缺陷浓度的增加，扩散速率增加。