燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的新型發(fā)電設(shè)備，其優(yōu)點為效率高、綠色環(huán)保，也是繼水力、火力、核能后的第四代發(fā)電技術(shù)。而燃料電池中，固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是轉(zhuǎn)換率最高的。它的主要特點是采用了固體電解質(zhì)，全固態(tài)結(jié)構(gòu)，除了具有燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)點外，還具有腐蝕性小、對環(huán)境友好，能夠單體設(shè)計固體電解質(zhì)需要滿足高溫條件，促進反應(yīng)。

固體氧化物燃料電池（SOFC）

固體氧化物燃料電池（SOFC）單體由陽極（燃料電極）、陰極（氧化劑電極）和電解質(zhì)組成，單體電池用連接板串聯(lián)構(gòu)成電池堆，電池堆可經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)對外供電。按照電解質(zhì)導(dǎo)電離子的不同，可以將SOFC分為質(zhì)子（H⁺）傳導(dǎo)和氧離子(O^2-）傳導(dǎo)兩類。

質(zhì)子傳導(dǎo)型SOFC一般只能使用氫氣作為燃料氣，而離子傳導(dǎo)型SOFC還可以一氧化碳、甲烷等作為燃料氣，可用的燃料氣體更為豐富，因而目前氧離子傳導(dǎo)型SOFC使用較為廣泛。

固體氧化物燃料電池運行原理

當前SOFC的性能跟氧離子的傳輸息息相關(guān)，其中電解質(zhì)的選擇和制備是最重要的環(huán)節(jié)之一。

固體氧化物燃料電池電解質(zhì)的選擇

目前SOFC 電解質(zhì)材料研究最多的是氧離子導(dǎo)體，常用的電解質(zhì)材料有氧化鋯基（ZrO₂）、氧化鈰基（CeO₂）、氧化鉍基（Bi₂O₃）及鈣鈦礦型（ABO₃）電解質(zhì)等。

幾種電解質(zhì)材料的性能對比如下：

盡管SOFC有眾多優(yōu)點，但當前應(yīng)用較廣的電解質(zhì)材料需要在高溫條件下才能表現(xiàn)出符合要求的電導(dǎo)率，這制約了其發(fā)展，高溫工作下的SOFC的缺點是對電池材料的整體要求更高同時開路電壓較低。因此，SOFC的中低溫度化是其商業(yè)化發(fā)展的必然趨勢，試圖降低SOFC的操作溫度，尋找在較低溫度下具有較高氧離子電導(dǎo)率的新型電解質(zhì)材料，成為發(fā)展SOFC的關(guān)鍵課題之一。

而通過幾種目前研究較多的電解質(zhì)材料對比，中低溫電解質(zhì)材料在制備及應(yīng)用上的問題仍有不少，離產(chǎn)業(yè)化有相當大的距離，而氧化鋯作為原料豐富制備相對簡單的材料，其一大研究方向是針對傳統(tǒng)的YSZ電解質(zhì)做出一定的優(yōu)化，降低其使用溫度，這對于實現(xiàn)SOFC大規(guī)模工業(yè)化有著顯著意義。

氧化鋯基固體電解質(zhì)的優(yōu)化

氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯(ScSZ)具有優(yōu)良的氧離子傳導(dǎo)性能，目前已經(jīng)成為中溫固體氧化物燃料電池(SOFC)首選的新型電解質(zhì)材料。

近年來，隨著美國、日本在中溫SOFC的技術(shù)發(fā)展，推動了對ScSZ粉體的應(yīng)用。目前，世界范圍內(nèi)商業(yè)化的粉體主要由日本第一稀有元素公司提供，而國內(nèi)產(chǎn)品存在電導(dǎo)率低、批次不穩(wěn)定等缺點。究其原因，主要還是在高性能ScSZ粉體材料制備上需要進一步研究。

SOFC電解質(zhì)材料的幾種主流研究方向

固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料的制備總的來說分為以下幾個步驟：電解質(zhì)粉體的制備、粉體成型、高溫煅燒等，粉體的制備工藝將很大程度影響電解質(zhì)粉體的成型、燒結(jié)和電性能等特點。

一、氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯電解質(zhì)導(dǎo)電率影響因素

1. 晶體結(jié)構(gòu)的影響

氧離子在晶體中的遷移活化能，也即遷移難易度影響電解質(zhì)的導(dǎo)電性能，研究表明，立方相的ScSZ結(jié)構(gòu)中活化能最大，氧離子遷移能最低，因此立方結(jié)構(gòu)具有最高的氧離子電導(dǎo)能力。但ScSZ晶體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以制備出純立方相ScSZ粉體一直是該領(lǐng)域的研究熱點。

ScSZ固體電解質(zhì)立方晶體結(jié)構(gòu)簡示圖

2. 顆粒性質(zhì)的影響

根據(jù)SOFC電池工作原理可知，ScSZ是以成型與燒結(jié)后的陶瓷片進行電導(dǎo)工作的，因而陶瓷結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性是單個電池導(dǎo)電率的決定因素。就ScSZ陶瓷材料而言，對粉體的顆粒物性要求極高，諸如粉體的顆粒徑、顆粒尺寸分布、顆粒的團聚性能、比表面積等。

ScSZ粉體的粒徑大小及粒徑分布主要影響陶瓷片的成型密度，陶瓷片密度越大，氧離子遷移能越低，陶瓷片電導(dǎo)率越高。二次粒徑越小，粒徑分布越窄，越有利于獲得密度高的陶瓷片。

二、氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯粉體的制備工藝

制備鋯基氧化物的方法很多，從宏觀方面來說可分為固相法、液相法、氣相法，其中液相法應(yīng)用范圍較廣，主要包括溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法等。

1.溶膠-凝膠法

將鈧鋯混合原料溶解于溶劑中形成混合料液，往混合料液中加入催化劑和其他添加劑后，溶液體系發(fā)生水解、縮聚等反應(yīng)形成均勻分散的溶膠，其后繼續(xù)升溫反應(yīng)，整個體系的粘度逐漸增加形成透明的凝膠。將獲得的凝膠進行脫水處理后即可獲得粒徑小且分散性良好的超細ScSZ粉體。

溶膠-凝膠法制備ScSZ粉體

溶膠-凝膠法制備得到的產(chǎn)品化學(xué)組分均勻，同時該法操作簡單，反應(yīng)溫度較低，適合制備多組分復(fù)合氧化物及高純氧化物的納米粉體。但其缺點是原料鋯醇鹽通常為有毒性的有機溶劑，對環(huán)境和人體有害；此外生成非常小的顆粒在高溫?zé)崽幚砗笕菀装l(fā)生快速團聚現(xiàn)象，造成電導(dǎo)率性能較低。

2. 共沉淀法

將鈧鋯混合溶液與沉淀劑進行混合后生成不溶于水的前驅(qū)體沉淀物，根據(jù)粉體要求將前驅(qū)體在不同時間、溫度條件下進行陳化處理。陳化完成后的樣品經(jīng)過脫水、煅燒等后續(xù)處理即可獲得到超細ScSZ粉體。

共沉淀法制備ScSZ粉體

共沉淀法制備ScSZ粉體工藝比較簡單，對設(shè)備要求不高，在工業(yè)上容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品批次穩(wěn)定性較容易控制。但是沉淀過程溶液體系易產(chǎn)生過飽和，沉淀過程不易控制，出現(xiàn)硬團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致所得到的ScSZ粉體二次粒徑大且分散性能差，后續(xù)工藝需要配合采用特殊干燥方式或球磨等方法才可得到粒徑小且分布均勻的粉體。

3. 水熱法

采用水熱法制備ScSZ粉體的基本原理是水熱條件下以水作為反應(yīng)介質(zhì)，沉淀體系在高溫高壓條件下，通過水熱溫度、時間和壓力控制反應(yīng)過程環(huán)境，實現(xiàn)ScSZ粉體的成形和改性。水熱法的種類很多，常用的主要有三種：水熱分解法、水熱結(jié)晶法、微波水熱法。

水熱法制備ScSZ粉體可通過控制反應(yīng)溶液的溫度、濃度、pH值及填充度以實現(xiàn)晶體大小及類型可控；同時通過該法制備出的ScSZ粉體顆粒團聚現(xiàn)象弱，粒徑小且粒徑分布均勻。與普通水熱法時間長能耗較大相比，微波水熱法時間雖短但對設(shè)備要求較高。

總結(jié)

中低溫固體氧化物燃料電池是當前的研究主要方向，氧化鋯具有一定商業(yè)化基礎(chǔ)，依舊是當前主流電解質(zhì)材料的首要選擇。氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯在中低溫條件下依舊保持較高的電導(dǎo)率，解決了YSZ的應(yīng)用缺點，但由于氧化鈧的含量較少及其昂貴的價格限制了它的實際應(yīng)用。目前，隨著從硫酸法鈦白廢液、赤泥等工業(yè)副產(chǎn)物中提取鈧技術(shù)的日益成熟，氧化鈧的價格將進一步降低，因此ScSZ電解質(zhì)材料具有廣闊的發(fā)展空間，高性能ScSZ電解質(zhì)粉體的產(chǎn)業(yè)化制備正是有待突破的一項關(guān)鍵。

參考來源：

1. 氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯固體電解質(zhì)的制備，榮爽（內(nèi)蒙古科技大學(xué)）；

2. 新型中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料的制備與性能研究，田越（大連海事大學(xué)）；

3. 氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯粉體材料制備過程研究，敖紅敏（北京有色金屬研究總院）；

4. 固體氧化物燃料電池中電解質(zhì)研究進展，彭程（華南理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系）。

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